Een team onder leiding van Prof. YU Shuhong en Prof. HOU Zhonghuai van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen ontwikkelde een theoriegestuurde microchemische engineering (MCE) benadering om de reactiekinetiek te manipuleren en zo te optimaliseren de elektrokatalytische prestatie van de methanoloxidatiereactie (MOR) in 3D geordend en gekruist kanaal (3DOC). De studie werd gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

In de chemische technologie op micro-nanoschaal, twee primaire factoren beïnvloeden over het algemeen de elektrokatalytische kinetiek op het elektrode-elektrolyt-interface, d.w.z., de reactie op het elektrodeoppervlak en de massaoverdracht van de elektrolyt naar het nabije oppervlak en in de diffusielaag.

De oppervlaktereactie kan worden geoptimaliseerd door katalysatoren op nanoschaal te ontwerpen en de porositeit te vergroten om de actieve plaatsen te vergroten, evenals door de elektronische structuur en bindingsenergie aan te passen om de intrinsieke activiteit van actieve sites te verhogen. Voor macrokatalysator-betrokken elektrokatalyse, de massaoverdracht van de bulkelektrolyt naar het katalysatoroppervlak is snel genoeg vanwege de verwaarloosbare karakteristieke lengte van de diffusielaag in vergelijking met de katalysatorgrootte.

Echter, naarmate de katalysator kleiner wordt naar nanoschaal, de massaoverdracht wijkt sterk af van de voorspelling door de traditionele theorie vanwege de vergelijkbare diffusielaaglengte. Daarom, een nieuwe methodologie voor het optimaliseren van de kinetiek van bepaalde katalysatoren blijft dringend nodig om de elektrokatalytische prestaties te maximaliseren.

In dit onderzoek, de onderzoekers stelden een MCE-benadering voor waarbij katalysatorprocesoptimalisatie betrokken was.

Ze selecteerden platina nanobuisjes (Pt NT's) als modelkatalysator, gebruikt lucht-vloeistof interface-assemblage en in-situ elektrochemisch etsen om een ​​ideaal 3D geordend en gekruist kanaal te construeren, en gebruikte MOR als de modelreactie om de elektrokatalytische prestaties van 3DOC te testen. De meetresultaten gaven aan dat er een optimale kanaalgrootte van 3DOC is voor MOR.

Daarnaast, gebaseerd op de vrije energiedichtheidsfunctie van het elektrodeoppervlak, de onderzoekers hebben een uitgebreid kinetisch model opgesteld dat de oppervlaktereactie en massaoverdracht koppelt om de kinetiek nauwkeurig te reguleren en de MOR-prestaties te optimaliseren. De resultaten toonden aan dat het vergroten van de kanaalgrootte van 3DOC de massaoverdracht van de bulkelektrolyt naar het katalysatoroppervlak bevorderde, en verzwakte de verticale elektronenstroom van de reactie in 3DOC.

Deze competitie tussen de massaoverdracht en de oppervlaktereactie leidde tot de beste MOR-prestaties op 3DOC met een specifieke grootte. Onder de geoptimaliseerde kanaalgrootte, massaoverdracht en oppervlaktereactie in de gekanaliseerde microreactor waren beide goed gereguleerd.

Deze structurele optimalisatie, verschillend van het traditioneel thermodynamische katalysatorontwerp, zorgt voor een significante toename van heterogene elektrokatalytische prestaties. Met behulp van de voorgestelde MCE-koppelingsmassaoverdracht en oppervlaktereactie, de kinetische optimalisatie in elektrokatalyse kan worden gerealiseerd. Deze MCE-strategie zal een sprong voorwaarts betekenen in gestructureerd katalysatorontwerp en kinetische modulatie.