Onderzoekers van de Northwestern University hebben een efficiëntere en stabielere methode ontwikkeld om elektrokatalytische reacties uit te voeren.

De techniek, die katalysatordeeltjes in elektrolyt fluïdiseert in plaats van ze aan elektroden te lijmen, vermijdt een snelle afname van de reactieprestaties - een fenomeen dat onderzoekers vermoeidheid noemen. De aanpak zou de productieprocessen voor elektrolyse en elektrochemische energieomzetting en -opslag kunnen verbeteren.

"Er is veel moeite gedaan om nieuwe krachtige katalysatoren te vinden die ook beter bestand zijn tegen elektrochemische reacties, " zei Jiaxing Huang, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering, die het onderzoek leidde. "We hebben een drastisch andere benadering ontwikkeld om elektrokatalyse minder vatbaar te maken voor verval - niet door een ander nieuw materiaal te vinden, maar door de reactie anders te doen."

De studie, getiteld "Gefluïdiseerde elektrokatalyse, " werd op 10 februari gepubliceerd in het tijdschrift CCS-chemie en stond op de omslag van het februarinummer.

In een typische elektrokatalyse-omgeving, zodra katalytische materialen op de elektrode zijn gelijmd, ze worden gedrenkt in elektrolyt en ondergaan een reactie die wordt gestimuleerd door een spanning. Omdat de spanning continu door de elektrode wordt aangelegd, de materialen ondergaan continue elektrochemische stress. Overuren, hun katalytische prestatie kan afnemen als gevolg van geaccumuleerde structurele schade in de elektrode als geheel, of op individuele deeltjes.

De aanpak van het team vermijdt de voortdurende stress door de deeltjes in de elektrolyt te fluïdiseren. Nu werken de deeltjes in rotatie, slechts kortstondig elektrochemische stress ervaart bij een botsing met de elektrode. collectief, de output van de individuele botsingsgebeurtenissen versmelten tot een continue en stabiele elektrochemische stroom.

"Gefluïdiseerde elektrokatalyse doorbreekt het ruimtelijke en temporele continuüm van elektrochemische reacties, waardoor de katalysatoren efficiënter worden." Huang zei. "Fluidisatie vermindert ook de massatransportlimiet van de reactanten naar de katalysator, omdat de deeltjes in de elektrolyt zwemmen."

Huang testte zijn ideeën met behulp van een bekende, in de handel verkrijgbare katalysator genaamd Pt/C, dat is gemaakt van roetpoeder dat is versierd met platina-nanodeeltjes om de zuurstofontwikkeling te katalyseren, waterstof evolutie, en methanoloxidatiereacties. Deze drie elektrochemische reacties, wanneer gekatalyseerd door Pt/C, lijden normaal gesproken aan ernstig prestatieverlies, maar ze vertoonden allemaal een hogere efficiëntie en stabiliteit wanneer de deeltjes werden gefluïdiseerd.

"De nieuwe strategie zorgt ervoor dat een onstabiele katalysator stabiele prestaties levert voor alle drie de modelreacties. Het was een opwindend proof-of-concept, " zei Yi-Ge Zhou, de eerste auteur van het artikel en een voormalig bezoekend postdoc in de groep van Huang. "Toen we de efficiëntie van enkele deeltjes voor sommige van deze reacties berekenden, het was minstens drie ordes van grootte hoger dan de vaste deeltjes. In plaats van ze te belasten, we gaven de deeltjes een kans om te ontspannen, en ze werden daardoor een stuk efficiënter."

Hoewel er meer werk nodig is om de soorten elektrochemische reacties te identificeren die het beste het voordeel van gefluïdiseerde elektrokatalyse kunnen maximaliseren, Huang gelooft dat zijn methode kan worden toegepast op een verscheidenheid aan verschillende soorten materialen en efficiënter kan produceren, langer durende elektrokatalytische reacties. Dit zou kunnen leiden tot verbeterde elektrochemische syntheseprocessen, die een belangrijke rol spelen bij het omzetten van energie in chemicaliën voor grootschalige energieopslag.

"Ik hoop dat andere onderzoekers onze methode overwegen om hun katalysatoren opnieuw te evalueren. Het zou opwindend zijn om te zien dat voorheen onbruikbare katalysatoren bruikbaar worden, ' zei Huang.