Nieuw onderzoek toont aan dat sommige kleine katalysatoren die worden overwogen voor milieusaneringsinspanningen op industriële schaal mogelijk onstabiel zijn tijdens het gebruik.

Chemici van de Universiteit van Waterloo bestudeerden de structuren van complexe katalysatoren die bekend staan ​​als "elektrokatalysatoren op nanoschaal" en ontdekten dat ze niet zo stabiel zijn als wetenschappers ooit dachten. Wanneer er tijdens gebruik elektriciteit doorheen stroomt, de atomen kunnen herschikken. In sommige gevallen, vonden de onderzoekers, elektrokatalysatoren worden volledig afgebroken.

Begrijpen waarom en hoe deze herschikking en degradatie plaatsvindt, is de eerste stap naar het gebruik van deze elektrokatalysatoren op nanoschaal bij milieusaneringsinspanningen, zoals het verwijderen van atmosferische kooldioxide en grondwaterverontreinigingen en deze om te zetten in hoogwaardige producten zoals brandstoffen.

"De huidige elektrokatalysatoren vertrouwen op complexe nanoschaalstructuren om hun efficiëntie te optimaliseren, " zei Anna Klinkova, een professor in Waterloo's Department of Chemistry. "Wat we vonden, echter, is dat de superieure prestaties van deze complexe nanomaterialen vaak ten koste gaan van hun geleidelijke structurele afbraak, omdat er een afweging is tussen hun effectiviteit en stabiliteit."

Klinkova en haar team ontdekten dat de herschikking van atomen in de katalysator afhing van het type metaal, structurele vorm, en de reactieomstandigheden van de katalysator.

Ze identificeerden twee redenen voor de herschikkingen. Sommige kleine moleculen kunnen zich tijdelijk aan het oppervlak van de katalysator hechten en de energie verminderen die een atoom nodig heeft om over het oppervlak te bewegen. In andere gevallen, smalle gebieden in de katalysator concentreren de stroom van het elektron, waardoor de metaalatomen verdringen via een proces dat elektromigratie wordt genoemd.

Elektromigratie is eerder geïdentificeerd in micro-elektronica, maar dit is de eerste keer dat het is verbonden met katalysatoren op nanoschaal.

Deze bevindingen vormen een raamwerk voor het beoordelen van structurele stabiliteit en het in kaart brengen van de veranderende geometrie van katalysatoren op nanoschaal, wat een belangrijke stap is om in de toekomst betere katalysatoren te ontwerpen.

"Deze structurele effecten kunnen worden gebruikt als een van de ontwerpregels bij de toekomstige ontwikkeling van katalysatoren om hun stabiliteit te maximaliseren, " Zei Klinkova. "Je zou ook doelbewust reconstructie kunnen induceren tot een andere structuur die actief wordt als de reactie begint."

De studie, "Samenspel van elektrochemische en elektrische effecten induceert structurele transformaties in elektrokatalysatoren, " is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Katalyse van de natuur.