Een nieuwe manier om individuele iridiumatomen aan het oppervlak van een katalysator te verankeren, verhoogde de efficiëntie bij het splitsen van watermoleculen tot recordniveaus, hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University vandaag gemeld.

Het was de eerste keer dat deze benadering werd toegepast op de zuurstofontwikkelingsreactie, of OER – onderdeel van een proces dat elektrolyse wordt genoemd en waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Indien aangedreven door hernieuwbare energiebronnen, door elektrolyse kunnen brandstoffen en chemische grondstoffen duurzamer worden geproduceerd en kan het gebruik van fossiele brandstoffen worden verminderd. Maar het trage tempo van OER is een knelpunt geweest om de efficiëntie ervan te verbeteren, zodat het kan concurreren op de open markt.

De resultaten van deze studie kunnen het knelpunt verlichten en nieuwe wegen openen om te observeren en te begrijpen hoe deze katalytische centra met één atoom werken onder realistische werkomstandigheden, aldus het onderzoeksteam.

Ze publiceerden hun resultaten vandaag in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Industriële ruggengraat

Katalysatoren vormen de ruggengraat van de chemische industrie en zijn veelbelovend voor een toekomst met duurzame energie. Zoals koppelaars, ze grijpen moleculen uit een passerende vloeistof- of gasstroom en moedigen ze aan om met elkaar te reageren, zonder zelf verteerd te worden. Om de efficiëntie van dit proces te maximaliseren, katalysator-nanodeeltjes zijn typisch verspreid over het oppervlak van een poreus materiaal dat het grootst mogelijke oppervlak biedt om veel reacties tegelijkertijd te laten plaatsvinden.

Maar alleen de atomen aan de buitenkant van een nanodeeltje kunnen deelnemen aan katalyse; de innerlijke gaan verloren. Als de katalysator een kostbaar edelmetaal is, zoals iridium of platina, zelfs een kleine hoeveelheid afval is duur. Dus wetenschappers hebben in plaats daarvan gewerkt aan het gebruik van individuele atomen van deze edelmetalen. Elk atoom is een katalytisch reactiecentrum. Door hun kleine formaat kunnen er veel meer op het oppervlak van een bepaalde ondersteuningsstructuur passen. Dit verhoogt aanzienlijk de hoeveelheid actieve katalysator die wordt blootgesteld aan de reactanten en het aantal reacties dat tegelijk kan plaatsvinden, efficiëntie te verhogen.

In dit onderzoek, een team onder leiding van SLAC/Stanford-professor Yi Cui en SLAC-stafwetenschapper Michal Bajdich ontwikkelde een nieuwe manier om individuele iridiumatomen op een ondersteunend oppervlak te verankeren. De postdoctorale onderzoekers Xueli Zheng en Jing Tang van Stanford voerden het experiment uit, geholpen door theoretische simulatie van röntgengegevens van SLAC associate staff scientist Alessandro Gallo die onthulde welke configuratie het meest stabiel en effectief zou zijn.

Atom-voor-atoom verankering

Om de nieuwe katalysator te maken, onderzoekers maakten eerst een poreuze structuur om de iridiumatomen te ondersteunen die de reactie zouden katalyseren.

Ze stelden deze schuimachtige structuur bloot aan een oplossing die iridiumverbindingen bevat, bevroor het snel om een ​​dunne, iridiumrijke ijslaag op het oppervlak, en deed aanvullende bewerkingen om goed verdeelde plaatsen te creëren waar individuele iridium-atomen goed verankerd waren op het ondersteunende oppervlak.

Röntgenwaarnemingen van de katalysator aan het werk onthulden dat de iridiumatomen zich in een chemische toestand bevonden die hen uitzonderlijk effectief maakt in het uitvoeren van het deel van de watersplitsingsreactie waarbij zuurstof vrijkomt.

Andere tests toonden aan dat deze verhoogde activiteit volledig te wijten was aan het feit dat het iridium de vorm had van enkelvoudige, geïsoleerde atomen, en niet alleen aan het grote oppervlak waarop ze waren ingebed.

De resulterende katalysator is beter dan de meeste op iridium gebaseerde katalysatoren die tot nu toe bekend zijn, meldden de onderzoekers. Ze zeiden dat dit nieuwe atoomverankeringssysteem een ​​ideaal model biedt voor het onderzoeken en tot stand brengen van de verbinding tussen katalysatoren en hun ondersteunende structuren voor een verscheidenheid aan elektrokatalytische reacties.