Voor vele jaren, wetenschappers hebben gezocht naar een effectieve en efficiënte manier om water om te zetten in energieopslaande brandstoffen met behulp van zonne- en windenergie, waarschijnlijk door water te splitsen in waterstof en zuurstof. Om dit te doen, ze hebben gezocht naar katalysatoren om deze watersplitsingsreacties te laten plaatsvinden.

Onderzoekers weten al enige tijd dat oxiden van veel metalen, inclusief het bekende ijzeroxide genaamd roest, kunnen functioneren als watersplitsende katalysatoren, vooral wanneer de atomen van de metaaloxiden zijn georganiseerd in kleine clusters. Echter, de activiteit van deze clusters, of domeinen, kunnen enorm variëren, afhankelijk van hun structuren.

In een nieuwe studie van een verwante groep kobaltoxiden, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) probeerden te bepalen waarom twee vergelijkbare katalysatoren met enigszins verschillende domeingroottes zich anders gedroegen.

"Ons onderzoeksteam wilde echt begrijpen waarom kobaltoxiden die kunnen worden gecontroleerd om alleen te verschillen in termen van hun domeinstructuur, zulke verschillende watersplitsende activiteiten hebben, " zei chemicus David Tiede, Distinguished Fellow in de divisie Chemische Wetenschappen en Engineering van Argonne. "Als we dit begrijpen, zou het een manier zijn om watersplitsingskatalyse voor metaaloxiden meer in het algemeen te begrijpen."

In de studie, Tiede en zijn collega's gebruikten Argonne's Advanced Photon Source (APS) en Center for Nanoscale Materials (CNM), samen met SLAC National Accelerator Laboratory's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), alle DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten. Ze combineerden een breed scala aan verschillende röntgentechnieken en de elektronenmicroscopiemogelijkheden van CNM om deze domeinen op atomaire schaal te onderzoeken.

"Het opwindende van dit onderzoek is dat we een echt multimodale benadering hebben gekozen die de kracht van zachte en harde röntgenstralen combineert, ' zei Tiede.

Tiede en andere onderzoekers presenteerden een paper over de studie in de Tijdschrift van de American Chemical Society , vorige zomer.

"Resonante röntgentechnieken zijn een krachtig hulpmiddel om een ​​schat aan structuur en elektronische informatie over metaaloxidekatalysatoren te verschaffen, vooral wanneer ze structureel slecht gedefinieerd zijn, " voegde Argonne röntgenfysicus Jung Ho Kim toe, wie behoorde tot die auteurs.

Het onderzoeksteam kon aantonen dat de verschillen in katalytische activiteit worden gecontroleerd door geleidbaarheid op atomaire schaal.

Wanneer de kobaltoxidedomeinen gevormd in aanwezigheid van boraat, de onderzoekers zagen dat elektronen relatief snel en soepel door het materiaal bewogen. Toen de kobaltoxiden gevormd met fosfaat, echter, elektrische ladingen konden niet zo gemakkelijk migreren.

De reden voor dit verschil, Tiede legde uit, is dat de kobaltatomen in het kobaltboraat elektronen met elkaar kunnen delen in wat wetenschappers hybride orbitalen noemen. "Eigenlijk, je kunt de hybride orbitalen in kobaltboraat zien als sociale media op internet, overwegende dat de orbitalen in kobaltfosfaat zijn als vaste telefoons, Tiede zei. "Informatie kan sneller reizen via always-on netwerkverbindingen."

De aanwezigheid van de hybride orbitalen in kobaltboraat maakt het materiaal een betere watersplitsende katalysator dan kobaltfosfaat, hoewel de laatste meer actieve katalytische sites heeft. "In staat zijn om de ladingen naar de actieve sites te verplaatsen, wordt de belangrijkste factor bij het bepalen van de efficiëntie van de katalysator, ' zei Tiede.

Bij het onderzoeken van de twee kobaltoxiden, Tiede en zijn team vonden nog iets verrassends. Typisch, het watersplitsingsproces vereist het verbreken van bindingen en het creëren van bindingen die de meest uitdagende onderdelen van katalyse zijn, maar in dit geval voldoende lading krijgen voor de actieve sites bleek het moeilijkste deel te zijn. "Snel genoeg kosten op de sites krijgen is een belangrijke ontwerpparameter die we moeten leren beheersen, ' zei Tiede.

Het combineren van ladingsmobiliteit met watersplitsingsefficiëntie zal essentieel zijn voor het ontwikkelen van een katalysator die water effectief in elektriciteit kan omzetten. "Je kunt 's werelds beste airconditioner hebben, maar als de bedrading in je huis slecht is, je krijgt het niet goed werkend, Tiede voegde eraan toe. "De watersplitsingssite doet veel gecompliceerde dingen, maar als hij niet genoeg stroom krijgt, het zal niet veel uithalen."

Het artikel op basis van het onderzoek, "Oplossing van elektronische en structurele factoren die ten grondslag liggen aan de zuurstofontwikkelingsprestaties in amorfe kobaltoxidekatalysatoren, " verscheen in het 20 juli nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .