Als een regel, de meeste katalysatormaterialen verslechteren tijdens herhaalde katalytische cycli - ze verouderen. Maar er zijn ook verbindingen die hun prestaties tijdens de katalyse verhogen. Een voorbeeld is het mineraal erythriet, een minerale verbinding bestaande uit kobalt- en arseenoxiden met een molecuulformule van (Co ₃ (AsO ₄ ) ² ∙8H ₂ O). Het mineraal valt op door zijn paarse kleur. Erythriet leent zich voor het versnellen van de zuurstofproductie aan de anode tijdens elektrolytische splitsing van water in waterstof en zuurstof.

Monsters uit Costa Rica

De jonge onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Marcel Risch aan de HZB heeft samen met groepen uit Costa Rica deze katalyserende minerale materialen nu in BESSY II in detail geanalyseerd en een interessante ontdekking gedaan.

Met behulp van monsters geproduceerd door collega's in Costa Rica, bestaande uit kleine erythrietkristallen in poedervorm, Javier Villalobos, een promovendus in de groep van Risch aan de HZB, bekleed de elektroden met dit poeder. Hij heeft ze toen eerder onderzocht, gedurende, en na honderden elektrolysecycli in vier verschillende pH-neutrale elektrolyten, inclusief gewoon sodawater (koolzuurhoudend water).

Verlies van originele structuur

Overuren, het oppervlak van elke katalytisch actieve laag vertoonde duidelijke veranderingen in alle elektrolyten. De oorspronkelijke kristalstructuur ging verloren, zoals blijkt uit beelden van de scanning elektronenmicroscoop, en meer kobaltionen veranderden hun oxidatiegetal door de aangelegde spanning, die elektrochemisch werd bepaald. Verhoogde zuurstofopbrengst werd in de loop van de tijd ook aangetoond in sodawater (koolzuurhoudend water), hoewel alleen in dat elektrolyt. De katalysator is duidelijk verbeterd.

Observaties bij BESSY II

Met analyses bij BESSY II, de onderzoekers kunnen nu verklaren waarom dit het geval was:met behulp van röntgenabsorptiespectroscopie, ze scanden de atomaire en chemische omgeving rond de kobaltionen. De meer actieve monsters verloren hun oorspronkelijke erythriet-kristalstructuur en werden getransformeerd in een minder geordende structuur die kan worden beschreven als bloedplaatjes van slechts twee atomen dik. Hoe groter deze bloedplaatjes werden, hoe actiever de steekproef was. De gegevens in de loop van de katalysecycli toonden aan dat het oxidatiegetal van het kobalt in deze bloedplaatjes het meest toenam in sodawater, van 2,0 naar 2,8. Aangezien oxiden met een oxidatiegetal van 3 bekend staan ​​als zeer goede katalysatoren, dit verklaart de verbetering ten opzichte van de katalysatoren die in de andere elektrolyten werden gevormd.

Zuurstofopbrengst verdubbeld

In sodawater, de zuurstofopbrengst per kobaltion daalde met een factor 28 over 800 cycli, maar tegelijkertijd veranderden 56 keer zoveel kobaltatomen hun oxidatiegetal elektrochemisch. macroscopisch, de elektrische stroomopwekking en daarmee de zuurstofopbrengst van de elektrode verdubbelde.

Van naalden tot Zwitserse kaas

In een notendop, Risch legt uit:"Na verloop van tijd, het materiaal wordt als Zwitserse kaas met veel gaten en een groter oppervlak waar veel meer reacties kunnen plaatsvinden. Zelfs als de afzonderlijke katalytisch actieve centra na verloop van tijd wat zwakker worden, het grotere oppervlak betekent dat veel meer potentiële katalytisch actieve centra in contact komen met de elektrolyt en de opbrengst verhogen."

Risch suggereert dat dergelijke mechanismen ook kunnen worden gevonden in veel andere klassen van materialen die bestaan ​​uit niet-toxische verbindingen, die kunnen worden ontwikkeld tot geschikte katalysatoren.

De studie is gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen .