Elektrochemie speelt een steeds belangrijkere rol:of het nu gaat om brandstofcellen, elektrolyse of chemische energieopslag, chemische reacties gecontroleerd door elektrische stroom worden gebruikt. Doorslaggevend bij al deze toepassingen is dat de reacties zo snel en efficiënt mogelijk verlopen.

Een belangrijke stap voorwaarts is nu gezet door een team van TU Wien (Wenen) en DESY in Hamburg:ze toonden aan dat een speciaal materiaal gemaakt van lanthaan, strontium, ijzer en zuurstof kunnen heen en weer worden geschakeld tussen twee verschillende toestanden:in de ene toestand is het materiaal katalytisch extreem actief, in de andere minder. De reden hiervoor is het gedrag van minuscule ijzeren nanodeeltjes op het oppervlak, die nu is aangetoond in experimenten bij het Duitse Electron Synchrotron DESY in Hamburg. Deze bevinding moet het nu mogelijk maken om nog betere katalysatoren te ontwikkelen. Het resultaat is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Elektrische spanning zorgt ervoor dat zuurstofionen migreren

"We gebruiken al jaren perovskieten voor onze elektrochemische experimenten, " zegt Prof. Alexander Opitz van het Institute of Chemical Technologies and Analytics. "Perovskieten zijn een zeer diverse klasse van materialen, sommige zijn uitstekende katalysatoren." Het oppervlak van de perovskieten kan helpen om bepaalde reactanten met elkaar in contact te brengen - of om ze weer te scheiden. "Bovenal, perovskieten hebben het voordeel dat ze doorlaatbaar zijn voor zuurstofionen. Daarom, ze kunnen elektrische stroom geleiden, en daar profiteren we van."

Als er een elektrische spanning op de perovskiet wordt gezet, zuurstofionen komen vrij van hun plaats in het kristal en beginnen door het materiaal te migreren. Als de spanning een bepaalde waarde overschrijdt, dit leidt ertoe dat ook ijzeratomen in de perovskiet migreren. Ze gaan naar de oppervlakte en vormen daar kleine deeltjes, met een diameter van slechts enkele nanometers. Eigenlijk, deze nanodeeltjes zijn uitstekende katalysatoren.

"Het interessante is dat als men de elektrische spanning omkeert, de katalytische activiteit neemt weer af. En tot nu toe was de reden hiervoor onduidelijk, ", zegt Alexander Opitz. "Sommige mensen vermoedden dat de ijzeratomen gewoon terug in het kristal zouden migreren, maar dat is niet waar. Wanneer het effect optreedt, de ijzeratomen hoeven hun plaats op het materiële oppervlak helemaal niet te verlaten."

Analyse met röntgenfoto's bij DESY

Het onderzoeksteam van de TU Wien werkte samen met een team van de Electron Synchrotron in Hamburg (DESY) om de structuur van de nanodeeltjes nauwkeurig te analyseren met röntgenstralen terwijl de chemische processen plaatsvinden. Het bleek dat de nanodeeltjes heen en weer wisselen tussen twee verschillende toestanden - afhankelijk van de toegepaste spanning:"We kunnen de ijzerdeeltjes schakelen tussen een metallische en een oxidische toestand, ", zegt Opitz. De aangelegde spanning bepaalt of de zuurstofionen in het materiaal naar de ijzeren nanodeeltjes worden gepompt of ervan af worden gepompt. Hierdoor kan worden gecontroleerd hoeveel zuurstof er in de nanodeeltjes zit, en afhankelijk van de hoeveelheid zuurstof, de nanodeeltjes kunnen twee verschillende structuren vormen:een zuurstofrijke, met lage katalytische activiteit, en een zuurstofarme, d.w.z. metalen, die katalytisch zeer actief is.

"Dit is een zeer belangrijke bevinding voor ons, "zegt hij. "Als het schakelen tussen de twee toestanden werd veroorzaakt door de ijzeratomen van het nanodeeltje dat terug in het kristal diffundeerde, zeer hoge temperaturen zouden nodig zijn om dit proces efficiënt te laten verlopen. Nu we begrijpen dat de activiteitsverandering niet gerelateerd is aan de diffusie van ijzeratomen, maar aan de verandering tussen twee verschillende kristalstructuren, we weten ook dat relatief lage temperaturen voldoende kunnen zijn. Dit maakt dit type katalysator nog interessanter omdat het potentieel kan worden gebruikt om technologisch relevante reacties te versnellen."

Van waterstof naar energieopslag

Dit katalytische mechanisme moet nu verder worden onderzocht, ook voor materialen met iets andere samenstellingen. Het zou de efficiëntie van veel toepassingen kunnen verhogen. "Dit is vooral interessant voor chemische reacties die belangrijk zijn in de energiesector, ", zegt Opitz. "Bijvoorbeeld, als het gaat om de productie van waterstof of synthesegas, of naar energieopslag door brandstof te produceren met elektrische stroom."