Op weg naar een CO ₂ -neutrale economie, we moeten een hele reeks technologieën perfectioneren, waaronder de elektrochemische extractie van waterstof uit water, brandstofcellen, of koolstofafvang. Al deze technologieën hebben één ding gemeen:ze werken alleen als er geschikte katalysatoren worden gebruikt. Voor vele jaren, onderzoekers hebben daarom onderzocht welke materialen hiervoor het meest geschikt zijn.

Aan de TU Wien en het Comet Center for Electrochemistry and Surface Technology CEST in Wiener Neustadt, voor dit soort onderzoek is een unieke combinatie van onderzoeksmethoden beschikbaar. Samen konden wetenschappers nu laten zien:zoeken naar de perfecte katalysator gaat niet alleen over het vinden van het juiste materiaal, maar ook over de oriëntatie ervan. Afhankelijk van de richting waarin een kristal wordt geslepen en welke van zijn atomen het zo aan de buitenwereld presenteert op het oppervlak, zijn gedrag kan drastisch veranderen.

Efficiëntie of stabiliteit

"Voor veel belangrijke processen in de elektrochemie, edele metalen worden vaak gebruikt als katalysatoren, zoals iridiumoxide of platinadeeltjes, ", zegt prof. Markus Valtiner van het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde van de TU Wien (IAP). In veel gevallen zijn dit katalysatoren met een bijzonder hoog rendement. er zijn ook andere belangrijke punten om te overwegen:de stabiliteit van een katalysator en de beschikbaarheid en recycleerbaarheid van de materialen. Het meest efficiënte katalysatormateriaal heeft weinig zin als het een zeldzaam metaal is, lost na korte tijd op, chemische veranderingen ondergaat of om andere redenen onbruikbaar wordt.

Om deze reden, ander, duurzamere katalysatoren zijn interessant, zoals zinkoxide, ook al zijn ze nog minder effectief. Door verschillende meetmethoden te combineren, het is nu mogelijk om aan te tonen dat de effectiviteit en de stabiliteit van dergelijke katalysatoren aanzienlijk kunnen worden verbeterd door te bestuderen hoe het oppervlak van de katalysatorkristallen op atomaire schaal is gestructureerd.

Het hangt allemaal af van de richting

Kristallen kunnen verschillende oppervlakken hebben:"Laten we ons een kubusvormig kristal voorstellen dat we in tweeën snijden, ", zegt Markus Valtiner. "We kunnen de kubus recht door het midden snijden om twee kubussen te maken. Of we kunnen het precies diagonaal knippen, in een hoek van 45 graden. De snijvlakken die we in deze twee gevallen verkrijgen zijn verschillend:Verschillende atomen bevinden zich op verschillende afstanden van elkaar op het snijvlak. Daarom, deze oppervlakken kunnen zich ook heel anders gedragen in chemische processen".

Zinkoxidekristallen zijn niet kubusvormig, maar honingraatachtige zeshoeken vormen - maar hetzelfde principe is hier van toepassing, ook:de eigenschappen ervan zijn afhankelijk van de rangschikking van de atomen op het oppervlak. "Als je precies de juiste oppervlaktehoek kiest, daar ontstaan ​​microscopisch kleine driehoekige gaatjes, met een diameter van slechts enkele atomen, ", zegt Markus Valtiner. "Waterstofatomen kunnen zich daar hechten, er vinden chemische processen plaats die de splitsing van water ondersteunen, maar tegelijkertijd het materiaal zelf stabiliseren".

Het onderzoeksteam heeft deze stabilisatie nu voor het eerst kunnen bewijzen:"Aan het katalysatoroppervlak, water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. Terwijl dit proces aan de gang is, we kunnen vloeistofmonsters nemen en onderzoeken of ze sporen van de katalysator bevatten, " legt Markus Valtiner uit. "Om dit te doen, de vloeistof moet eerst sterk worden verhit in een plasma en afgebroken tot afzonderlijke atomen. Dan scheiden we deze atomen in een massaspectrometer en sorteren ze, element voor element. Als de katalysator stabiel is, we zouden nauwelijks atomen uit het katalysatormateriaal moeten vinden. Inderdaad, we konden geen ontbinding van het materiaal detecteren in de atomaire driehoeksstructuren toen waterstof werd geproduceerd". Dit stabiliserende effect is verrassend sterk - nu werkt het team aan het nog efficiënter maken van zinkoxide en het overbrengen van het fysieke principe van deze stabilisatie naar andere materialen .

Unieke onderzoeksmogelijkheden voor energiesysteemtransformatie

Aan de TU Wien worden al jaren atomaire oppervlaktestructuren bestudeerd. "Bij ons instituut deze driehoekige structuren zijn jaren geleden voor het eerst aangetoond en theoretisch verklaard, en nu zijn we de eersten die hun belang voor elektrochemie aantonen, ", zegt Markus Valtiner. "Dit komt omdat we hier in de unieke situatie zijn dat we alle noodzakelijke onderzoeksstappen onder één dak kunnen combineren - van monstervoorbereiding tot simulatie op supercomputers, van microscopie in ultrahoog vacuüm tot praktijktesten in realistische omgevingen."

"Deze samenwerking van verschillende specialismen onder één dak is uniek, en ons grote voordeel om een ​​wereldleider te zijn in onderzoek en onderwijs op dit gebied, " zegt Carina Brunnhofer, student aan de IAP.

"De komende tien jaar we zullen stabiele en commercieel levensvatbare systemen ontwikkelen voor watersplitsing en CO ₂ reductie op basis van methodologische ontwikkelingen en een fundamenteel begrip van oppervlaktechemie en fysica, " zegt Dominik Dworschak, de eerste auteur van de recent gepubliceerde studie. "Echter, parallel moet minimaal een duurzame verdubbeling van het huidige vermogen worden bereikt, Markus Valtiner merkt op. "We zijn dus op een spannend pad, waarop we onze klimaatdoelstellingen alleen kunnen halen door consistente, sectoroverschrijdend onderzoek en ontwikkeling.