Wetenschappers die een op nikkel gebaseerde katalysator maakten die werd gebruikt bij het maken van waterstofbrandstof, bouwden het één atomaire laag per keer om volledige controle te krijgen over de chemische eigenschappen ervan. Maar het afgewerkte materiaal gedroeg zich niet zoals ze hadden verwacht:toen een versie van de katalysator zijn werk uitvoerde, de bovenste laag atomen herschikt om een ​​nieuw patroon te vormen, alsof de vierkante tegels die een vloer bedekken plotseling veranderd waren in zeshoeken.

Maar dat is oke, meldden ze vandaag, omdat het begrijpen en beheersen van deze verrassende transformatie hen een nieuwe manier geeft om katalytische activiteit aan en uit te zetten en goede katalysatoren nog beter te maken.

Het onderzoeksteam, geleid door wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, beschreven hun studie in Natuurmaterialen vandaag.

"Katalysatoren kunnen heel snel veranderen in de loop van een reactie, en begrijpen hoe ze transformeren van een inactieve fase naar een actieve fase is cruciaal voor het ontwerpen van efficiëntere katalysatoren, " zei Will Chueh, een onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC die de studie leidde. "Deze transformatie geeft ons het equivalent van een knop waaraan we kunnen draaien om hun gedrag te verfijnen."

Water splitsen om waterstofbrandstof te maken

Katalysatoren helpen moleculen te reageren zonder te worden verbruikt in de reactie, zodat ze steeds opnieuw kunnen worden gebruikt. Ze vormen de ruggengraat van veel apparaten voor groene energie.

Deze specifieke katalysator, lanthaan nikkeloxide of LNO, wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof in een reactie aangedreven door elektriciteit. Het is de eerste stap in het genereren van waterstofbrandstof, die een enorm potentieel heeft om hernieuwbare energie uit zonlicht en andere bronnen op te slaan in een vloeibare vorm die energierijk en gemakkelijk te transporteren is. In feite, verschillende fabrikanten hebben al elektrische auto's geproduceerd die worden aangedreven door waterstofbrandstofcellen.

Maar deze eerste stap is ook de moeilijkste, zei Michal Bajdich, een theoreticus bij het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis bij SLAC, en onderzoekers hebben gezocht naar goedkope materialen die het efficiënter kunnen uitvoeren.

Omdat reacties plaatsvinden op het oppervlak van een katalysator, onderzoekers hebben geprobeerd die oppervlakken nauwkeurig te manipuleren, zodat ze slechts één specifieke chemische reactie met hoge efficiëntie bevorderen.

Bouwmaterialen één atomaire laag per keer

De in deze studie onderzochte LNO behoort tot een klasse van veelbelovende katalytische materialen die bekend staan ​​als perovskieten, genoemd naar een natuurlijk mineraal met een vergelijkbare atomaire structuur.

Christoph Baemer, die naar SLAC kwam als Marie Curie Fellow van de universiteit van Aken in Duitsland om de studie uit te voeren, bereide LNO in wat bekend staat als een epitaxiale dunne film - een film die in atomair dunne lagen is gegroeid op een manier die een buitengewoon nauwkeurige rangschikking van atomen creëert.

Zijn tijd verdelend tussen Californië en Duitsland, Baeumer maakte twee versies van de film bij verschillende temperaturen:een met een nikkelrijk oppervlak en een andere met een lanthaanrijk oppervlak. Vervolgens heeft het onderzoeksteam alle versies door de watersplitsingsreactie geleid om te vergelijken hoe goed ze presteerden.

"We waren verrast om te ontdekken dat de films met nikkelrijke oppervlakken de reactie twee keer zo snel uitvoerden, ' zei Baumer.

Het oppervlak van een katalysator afstemmen voor betere prestaties

Om erachter te komen waarom, het team nam de films mee naar het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE, waar een groep onder leiding van Slavomir Nemsak naar hun atomaire structuur keek met röntgenstralen bij de geavanceerde lichtbron.

"Het was verrassend dat het verschil tussen de 'goede' en de 'slechte' katalysator alleen in de laatste atomaire laag van de films zat, " zei Nemsak. Uit die onderzoeken bleek ook dat in films met nikkelrijke oppervlaktelagen die bij lagere temperaturen werden bereid, de bovenste laag atomen die op een bepaald moment tijdens de watersplitsingsreactie is getransformeerd, en deze nieuwe opstelling verhoogde de katalytische activiteit.

In de tussentijd, Jiang Li, een postdoctoraal onderzoeker en theoreticus bij SUNCAT, voerde computationele studies uit van dit zeer complexe systeem met behulp van Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Zijn conclusies kwamen overeen met de experimentele resultaten, voorspellen dat de versie van de katalysator met het getransformeerde oppervlak - van een kubusvormig patroon naar een zeshoekig patroon - de meest actieve en stabiele zou zijn.

Bajdich zei, "Wordt de transformatie van het nikkelrijke oppervlak aangedreven door de manier waarop de katalysator wordt bereid, of door veranderingen die het ondergaat terwijl het de watersplitsingsreactie uitvoert? Dat is heel moeilijk te beantwoorden. Het lijkt erop dat beide moeten gebeuren."

Hoewel deze specifieke katalysator niet de beste ter wereld is voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof, hij zei, ontdekken hoe een oppervlaktetransformatie de activiteit ervan verhoogt, is belangrijk en kan mogelijk ook van toepassing zijn op andere materialen.

"Als we de geheimen van deze transformatie kunnen ontsluiten, zodat we het nauwkeurig kunnen afstemmen, " hij zei, "dan kunnen we dit fenomeen gebruiken om in de toekomst veel betere katalysatoren te maken."