Elektrochemische reacties die worden versneld met behulp van katalysatoren, vormen de kern van veel processen voor het maken en gebruiken van brandstoffen, Chemicaliën, en materialen, waaronder het opslaan van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen in chemische bindingen, een belangrijk vermogen om transportbrandstoffen koolstofarm te maken. Nutsvoorzieningen, onderzoek aan het MIT zou de deur kunnen openen naar manieren om bepaalde katalysatoren actiever te maken, en zo de efficiëntie van dergelijke processen te verbeteren.

Een nieuw productieproces leverde katalysatoren op die de efficiëntie van de chemische reacties vervijfvoudigden, mogelijk bruikbare nieuwe processen in de biochemie mogelijk maken, organische chemie, milieu chemie, en elektrochemie. De bevindingen worden vandaag beschreven in het tijdschrift Natuur Katalyse , in een artikel van Yang Shao-Horn, een MIT-hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en techniek, en lid van het Research Lab of Electronics (RLE); Tao Wang, een postdoc in RLE; Yirui Zhang, een afstudeerder bij de faculteit Werktuigbouwkunde; en vijf anderen.

Het proces omvat het toevoegen van een laag van een zogenaamde ionische vloeistof tussen een goud- of platinakatalysator en een chemische grondstof. Katalysatoren die met deze methode worden geproduceerd, kunnen mogelijk een veel efficiëntere omzetting van waterstofbrandstof mogelijk maken om apparaten zoals brandstofcellen, of efficiëntere omzetting van kooldioxide in brandstoffen.

"Er is een dringende noodzaak om de manier waarop we vervoer aandrijven buiten lichte voertuigen, koolstofarm te maken, hoe we brandstoffen maken, en hoe we materialen en chemicaliën maken, " zegt Shao-Hoorn, met nadruk op de dringende oproep om de CO2-uitstoot te verminderen die naar voren komt in het laatste IPCC-rapport over klimaatverandering. Deze nieuwe benadering voor het verbeteren van de katalytische activiteit zou een belangrijke stap in die richting kunnen zijn, ze zegt.

Het gebruik van waterstof in elektrochemische apparaten zoals brandstofcellen is een veelbelovende benadering voor het koolstofarm maken van velden zoals de luchtvaart en zware voertuigen, en het nieuwe proces kan helpen om dergelijke toepassingen praktisch te maken. Momenteel, de zuurstofreductiereactie die dergelijke brandstofcellen aandrijft, wordt beperkt door zijn inefficiëntie. Eerdere pogingen om die efficiëntie te verbeteren waren gericht op het kiezen van verschillende katalysatormaterialen of het wijzigen van hun oppervlaktesamenstelling en structuur.

In dit onderzoek, echter, in plaats van de vaste oppervlakken te wijzigen, het team voegde een dunne laag toe tussen de katalysator en de elektrolyt, het actieve materiaal dat deelneemt aan de chemische reactie. De ionische vloeistoflaag, ze vonden, regelt de activiteit van protonen die helpen om de snelheid van de chemische reacties die plaatsvinden op het grensvlak te verhogen.

Omdat er een grote verscheidenheid aan dergelijke ionische vloeistoffen is om uit te kiezen, het is mogelijk om de activiteit van protonen en de reactiesnelheden af ​​te stemmen op de energie die nodig is voor processen waarbij protonen worden overgedragen, die kunnen worden gebruikt om brandstoffen en chemicaliën te maken door reacties met zuurstof.

"De protonactiviteit en de barrière voor protonoverdracht wordt bepaald door de ionische vloeistoflaag, en dus is er een grote afstembaarheid in termen van katalytische activiteit voor reacties waarbij proton- en elektronenoverdracht betrokken zijn, " zegt Shao-Horn. En het effect wordt geproduceerd door een verdwijnend dunne laag van de vloeistof, slechts een paar nanometer dik, daarboven bevindt zich een veel dikkere laag van de vloeistof die de reactie moet ondergaan.

"Ik denk dat dit concept nieuw en belangrijk is, " zegt Wang, de eerste auteur van de krant, "omdat mensen weten dat de protonactiviteit belangrijk is in veel elektrochemische reacties, maar het is een hele uitdaging om te studeren." Dat komt omdat in een wateromgeving, er zijn zoveel interacties tussen aangrenzende watermoleculen dat het erg moeilijk is om te onderscheiden welke reacties plaatsvinden. Door een ionische vloeistof te gebruiken, waarvan de ionen elk slechts een enkele binding kunnen vormen met het tussenmateriaal, werd het mogelijk om de reacties in detail te bestuderen, met behulp van infraroodspectroscopie.

Als resultaat, Wang zegt, "Onze bevinding benadrukt de cruciale rol die grensvlakelektrolyten, in het bijzonder de intermoleculaire waterstofbinding, kunnen spelen bij het verbeteren van de activiteit van het elektrokatalytische proces. Het biedt ook fundamentele inzichten in protonoverdrachtsmechanismen op kwantummechanisch niveau, die de grenzen kan verleggen van weten hoe protonen en elektronen op katalytische interfaces op elkaar inwerken."

"Het werk is ook spannend omdat het mensen een ontwerpprincipe geeft voor hoe ze de katalysatoren kunnen afstemmen, " zegt Zhang. "We hebben een aantal soorten nodig op een 'sweet spot' - niet te actief of te inert - om de reactiesnelheid te verhogen."

Met een aantal van deze technieken zegt Reshma Rao, recentelijk gepromoveerd aan het MIT en nu een postdoc aan het Imperial College, Londen, die ook co-auteur is van het artikel, "we zien een tot vijf keer zo grote toename in activiteit. Ik denk dat het meest opwindende deel van dit onderzoek de manier is waarop het een geheel nieuwe dimensie opent in de manier waarop we over katalyse denken." Het veld had geraakt "een soort wegversperring, " ze zegt, bij het vinden van manieren om betere materialen te ontwerpen. Door te focussen op de vloeistoflaag in plaats van op het oppervlak van het materiaal, "Dat is een heel andere manier om naar dit probleem te kijken, en opent een geheel nieuwe dimensie, een geheel nieuwe as waarlangs we dingen kunnen veranderen en sommige van deze reactiesnelheden kunnen optimaliseren."