Balans vormt de basis voor een gelukkig leven of een gezond voedingspatroon. Voor wetenschappers die werken aan het ontwerpen van nieuwe katalysatoren om hernieuwbare energie te creëren, het balanceren van verschillende materialen en hun eigenschappen is even belangrijk. (Katalysatoren helpen chemische reacties te versnellen.)

In een nieuwe studie, onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Johns Hopkins-universiteit, Drexel University en verschillende universiteiten in Zuid-Korea gebruikten een nieuwe en contra-intuïtieve benadering om een ​​betere katalysator te creëren die een van de reacties ondersteunt die betrokken zijn bij het splitsen van water in waterstof en zuurstof. Wetenschappers zijn van plan de gegenereerde waterstof te gebruiken als schone brandstof.

Door eerst een legering te maken van twee van de dichtste natuurlijk voorkomende elementen en er vervolgens één te verwijderen, de wetenschappers hebben de structuur van het resterende materiaal hervormd, zodat het beter in balans is met drie factoren die belangrijk zijn voor chemische reacties:activiteit, stabiliteit en geleidbaarheid.

"Het vinden van een materiaal dat goed werkt voor het omzetten of opslaan van energie is als het creëren van een gelukkig huwelijk, " zei Nenad Markovic, een materiaalwetenschapper van Argonne en auteur van de studie. "In ons geval, we ontdekten dat een dynamisch partnerschap tussen twee verschillende materialen ons hielp om concurrerende belangen te integreren."

Wetenschappers die op zoek zijn naar nieuwe katalysatoren, hebben het periodiek systeem doorzocht om de juiste elementen of combinaties van elementen te vinden om de activiteit van een katalysator bij watersplitsingsreacties te maximaliseren, evenals de duurzaamheid van de actieve sites op het oppervlak. Materialen vinden die zowel stabiel als actief zijn, echter, een uitdaging geweest.

"Meer actieve katalysatoren zijn meestal minder stabiel, "Zei Markovic. "Degenen die twee keer zo goed lijken te werken, werken meestal maar half zo lang. Het wordt duidelijk dat het ontwerpen van actieve katalysatoren niet voldoende is - we moeten niet alleen actieve, maar ook stabiel materialen."

Voor de nieuwe katalysator Markovic en zijn collega's wendden zich tot iridium, een metaal dat meestal wordt geassocieerd met meteorieten. Als een dunne film, iridium is katalytisch actief, maar omdat het na verloop van tijd reageert met een elektrolytomgeving, iridiumatomen worden geoxideerd. Tijdens dit proces, sommige verlaten het oppervlak van de katalysator door corrosie, waardoor de prestaties steeds minder worden.

Het onderzoeksteam probeerde de oxidatie te voorkomen door de structuur van het iridium te reorganiseren. Om iridium te helpen stabiliseren en activeren, ze hebben het gelegeerd met zijn buurman op het periodiek systeem, osmium.

In tegenstelling tot iridium, osmium is noch katalytisch actief noch stabiel, maar het bood wel een belangrijk voordeel. Na het samen legeren van het osmium en iridium, de onderzoekers hebben de twee metalen vervolgens gedelegeerd, waardoor alleen een opnieuw geconfigureerde structuur van driedimensionale iridium-nanoporiën achterblijft.

"Zonder het osmium, het iridium zou deze staat nooit bereiken, " zei Markovic. "We moesten het osmium introduceren en vervolgens verwijderen om een ​​vorm van iridium te krijgen die zowel actief als stabiel was."

Markovic zei dat de verbeterde katalytische stabiliteit van elke nanoporie te wijten is aan het kleine volume elektrolyt in een porie dat snel verzadigd raakt met iridium-ionen, zodat oppervlakte-atomen niet meer oplossen. op vrijwel dezelfde manier dat het gemakkelijker is om een ​​theekopje water met suiker te verzadigen dan een kan van 10 gallon.

Terwijl de structuur van de nanoporiën tegemoetkwam aan de behoefte aan een stabiele, actieve katalysator, het was een ander facet van de herconfiguratie van het iridium dat hielp om de elektronengeleiding van het materiaal te vergroten. Onder operationele omstandigheden, de poreuze katalysator vormt in feite een uniek omhulsel van minder geleidend iridiumoxide rond zijn sterk geleidende iridiummetaalbinnenwerk. Op deze manier, elektronen kunnen gemakkelijk door het grootste deel van de katalysator bewegen om het oppervlak te bereiken, waar het watermolecuul op elektronen wacht om de watersplitsingsreactie te starten.

"Eigenlijk, we proberen een manier te vinden om elektronen door te sturen op de snelweg, ' in plaats van ze de zijwegen te laten nemen, "Zei Markovic. "Deze core-shell-configuratie [van het nanoporeuze materiaal] stelt ons in staat om dat te doen."

De studie, "balancerende activiteit, stabiliteit en geleidbaarheid van nanoporeuze kern-schil iridium/iridiumoxide zuurstof evolutie katalysatoren, " verscheen in het nummer van 13 november van" Natuurcommunicatie .