De overgang naar een duurzame energie-economie vereist elektrokatalytische methoden om elektrische energie om te zetten in chemische energie en grondstoffen. Een team van onderzoekers van de TU Berlijn, ETH Zürich, de National Research Council-Instituut voor Materialen van Triëst, en onder leiding van de FHI heeft nu het reactiemechanisme van een belangrijk knelpunt in deze processen blootgelegd, de zuurstofontwikkelingsreactie. Resultaten worden gepubliceerd in Natuur .

Elektrokatalytische zuurstofontwikkeling, de kritische halfreactie van watersplitsing, is een hoeksteentechnologie in de overgang naar een duurzame energie-economie. Dit is zo omdat, naarmate het aandeel van niet-dispatchbare hernieuwbare energiebronnen (zoals wind- en zonne-energie) toeneemt, oplossingen voor energieopslag zijn nodig om intermitterende stroomschommelingen op te vangen en een betrouwbare energievoorziening te garanderen. Van deze, de omzetting van elektrische energie in chemische brandstoffen door middel van protonen en elektronen is een van de meest flexibele aangezien chemische brandstoffen kunnen worden gebruikt waar en wanneer ze nodig zijn.

Een grote hindernis, echter, heeft elektrokatalysatoren gevonden voor de gelijktijdige omzetting van water in moleculaire zuurstof, de zuurstof evolutie reactie, die de protonen en elektronen levert om die brandstoffen te maken. Bij pogingen om verbeterde elektrokatalysatoren te ontwikkelen, experts hebben lang aangenomen dat de elektrokatalytische zuurstofontwikkelingsreactie kan worden begrepen met behulp van een gevestigde, decennia oude theorie ontwikkeld om niet-katalytische elektronenoverdrachtsreacties te beschrijven. Het team van onderzoekers besloot die aannames te testen en ontdekte verrassend genoeg dat de zuurstofevolutiereactie eigenlijk meer lijkt op traditionele thermokatalyse dan eerder werd gedacht. Hierdoor kunnen tools en concepten die zijn ontwikkeld om traditionele thermische katalysatoren te beschrijven, voor het eerst worden toegepast op hun elektrochemische tegenhangers.

"Het is belangrijk om de basiswetenschap achter elektrokatalysatoren te begrijpen om ze in de toekomst te verbeteren. Het werd ons steeds duidelijker dat het traditionele beeld van wat elektrokatalytische reacties aandrijft onvolledig was, " legt Peter Strasser uit, een van de co-auteurs van de Technische Universiteit van Berlijn. Hij voegde toe, "Onderzoekers nemen doorgaans aan dat de zuurstofevolutiereactie wordt gecontroleerd door de directe actie van de elektrische potentiaal op de reactiecoördinaat. Dat is een heel ander beeld dan thermokatalyse waarbij het maken en verbreken van chemische bindingen door oppervlaktechemie wordt geregeld."

In een studie gepubliceerd in Natuur , het team rapporteert hoe een van de meest succesvolle klassen van zuurstofevolutiekatalysatoren, iridiumoxiden, werkt. Ze voerden op synchrotron gebaseerde operando-röntgenspectroscopie uit bij BESSY II in Berlijn en Petra III in Hamburg om te bestuderen hoe iridiumoxiden zich gedragen tijdens elektrokatalytische zuurstofevolutie. Met deze experimenten konden ze tegelijkertijd de elektrische potentiaal en de oppervlaktechemie volgen. Ze gebruikten wat ze in deze experimenten leerden om modellen op atomaire schaal van de katalysatoroppervlakken te bouwen, die werden gebruikt in kwantummechanische simulaties van de reactie in het High Performance Computing Center in Stuttgart.

"De simulaties toonden aan dat de reactiesnelheid exponentieel afhangt van de oppervlaktedekking van de oxidatieve lading, in overeenstemming met de metingen, ", zegt Travis Jones van het Fritz Haber Instituut.

"De simulaties hebben ook de verandering in de Tafel-helling vastgelegd, een belangrijk kenmerk van iridiumoxide, en schreef het toe aan een verandering in de reactie van de oxidatieve lading op de potentiaal, in plaats van een verandering in het mechanisme, zoals eerder gedacht, " legt Simone Piccinin uit, een co-auteur van de National Research Council-Institute of Materials of Trieste, Italië. Deze studies brachten de onderzoekers ertoe te vermoeden dat de reactie werd gecontroleerd door oppervlaktechemie in plaats van het potentieel dat rechtstreeks op de reactiecoördinaat inwerkte.

Door een laboratoriumgebaseerde methode te ontwikkelen om ladingsaccumulatie te kwantificeren, kon het team een ​​reeks materialen screenen en ontdekte dat ze allemaal hetzelfde gedrag vertoonden. Detre Teschner van het Fritz Haber Instituut legt uit:"Het bleek dat de rol van de potentiaal was om het oppervlak te oxideren en dat de lading die zich ophoopte door deze oxidatie de reactiesnelheid regelde, net zoals bij thermische katalyse."

Nadat ze hadden gezien dat die lading de elektrokatalytische snelheid leek te mediëren, zochten de onderzoekers een manier om de katalysatorlading te regelen, onafhankelijk van het potentieel om hun bevinding te testen. "We hadden een chemische manier nodig om te veranderen hoeveel lading de katalysatoren konden opslaan en realiseerden ons al snel dat we dat konden doen door een deel van de zuurstof op het oppervlak te vervangen door chloor, aangezien het chloor niet kan worden geoxideerd om extra lading op te slaan. " zegt Javier Pérez-Ramírez van ETH Zürich.

Het team van Zürich gebruikte hun expertise in halogeenchemie om een ​​reeks katalysatoren met variërende hoeveelheden chloor te produceren. Zoals verwacht, de lading die de katalysatoren konden opslaan varieerde met de hoeveelheid chloor erop. Elektrokatalytische testen van deze nieuwe materialen bevestigden hun gedrag in de zuurstofevolutiereactie en kwamen overeen met de voorspellingen van het team. "Toen we zagen hoe het veranderen van het vermogen van een katalysator om lading op te slaan, voorspelbaar veranderde de katalytische activiteit, gaf ons vertrouwen in de bevindingen. We verwachten dat dit resultaat van toepassing zal zijn op een grote klasse van elektrokatalysatoren en we zijn van plan deze nieuwe kennis te gebruiken om nieuwe materialen te ontwerpen en te testen. ", zegt Travis Jones van het Fritz Haber Instituut.