Onderzoekers van de Rice University hebben atoomdikke katalysatoren die waterstof produceren grondig onderzocht om precies te zien waar het vandaan komt. Hun bevindingen zouden de ontwikkeling van 2D-materialen voor energietoepassingen kunnen versnellen, zoals brandstofcellen.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Jun Lou, met collega's van het Los Alamos National Laboratory, een techniek ontwikkeld om door kleine "vensters" te tasten die door een elektronenstraal zijn gecreëerd en de katalytische activiteit van molybdeendisulfide te meten, een tweedimensionaal materiaal dat veelbelovend is voor toepassingen die elektrokatalyse gebruiken om waterstof uit water te halen.

Eerste tests met twee variaties van het materiaal toonden aan dat de meeste productie afkomstig is van de randen van de dunne platen. De onderzoekers rapporteerden hun resultaten deze maand in Geavanceerde materialen .

Onderzoekers wisten al dat de randen van 2D-materialen zijn waar de katalytische actie is, dus alle informatie die helpt om het te maximaliseren is waardevol, zei Lou.

"We gebruiken deze nieuwe technologie om de actieve sites te identificeren die al lang door de theorie zijn voorspeld, " zei hij. "Er was enig indirect bewijs dat de randgebieden altijd actiever zijn dan de basale vlakken, maar nu hebben we direct bewijs."

De sondedragende microchips ontwikkeld in Los Alamos en de methode gecreëerd door Lou en hoofdauteur Jing Zhang, een postdoctoraal onderzoeker van Rice, open een weg naar snelle screening van potentiële waterstofevolutiereactiekandidaten tussen tweedimensionale materialen.

"Het grootste deel van het materiaal bevindt zich aan de oppervlakte, en je wilt dat dat een actieve katalysator is, in plaats van alleen de rand, " zei Lou. "Als de reactie alleen aan de rand gebeurt, je verliest het voordeel van het hebben van alle oppervlakte die wordt geboden door een 2D-geometrie."

Het laboratorium testte molybdeendisulfidevlokken met verschillende kristallijne structuren die bekend staan ​​als "1T prime" (of vervormd octaëdrisch) en 2H (trigonaal prismatisch). "Ze zijn in principe hetzelfde materiaal met dezelfde chemische samenstelling, maar de posities van hun atomen zijn verschillend, " zei Lou. "1T prime is metallisch en 2H is een halfgeleider."

Hij zei dat onderzoekers tot nu toe experimenteel hebben bewezen dat de meer geleidende 1T prime katalytisch was over het hele oppervlak, maar de Rice-studie bewees dat dat niet helemaal juist was. "Onze resultaten toonden aan dat de 1T prime edge altijd actiever is dan het basale vlak. Dat was een nieuwe ontdekking, " hij zei.

Na het maken van de vlokken via chemische dampafzetting, Zhang gebruikte een elektronenstraalverdampingsmethode om elektroden op individuele vlokken af ​​te zetten. Vervolgens voegde hij een isolerende laag van poly(methylmethacrylaat), een transparante thermoplast, en verbrandde een patroon van "vensters" in het inerte materiaal door middel van e-beam lithografie. Dat stelde de onderzoekers in staat om zowel de randen als de basale vlakken van het 2D-materiaal te onderzoeken, of alleen bepaalde randen, bij submicron resolutie.

De 16 sondes op de vierkante inch-chip die in Los Alamos is gebouwd, pulseren energie in de vlokken door de ramen. Wanneer waterstof wordt geproduceerd, het ontsnapt als een gas maar steelt een elektron uit het materiaal. Dat creëert een stroom die door de elektroden kan worden gemeten. Sondes kunnen afzonderlijk of allemaal tegelijk worden geadresseerd, waardoor onderzoekers gegevens voor meerdere sites op een enkele flake of van meerdere flakes kunnen krijgen.

Snelle tests zullen onderzoekers helpen hun microscopische materialen efficiënter te veranderen om de katalytische activiteit van de basale vlakken te maximaliseren. "Nu is er een stimulans om de sterkte van dit materiaal - zijn oppervlakte - als katalysator te gebruiken, " zei Lou. "Dit wordt een zeer goede screeningtechniek om de ontwikkeling van 2D-materialen te versnellen."