Wetenschap
Operandospectroscopie biedt inzicht in wateroxidatie
Iridiumoxidekatalysatoren zijn effectief voor wateroxidatie, waardoor ze zeer aantrekkelijk zijn voor groene technologieën. Een team met onder meer onderzoekers van SANKEN (het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek) van de Universiteit van Osaka heeft daarom tot nu toe nauwkeurig onderzocht hoe ze werken.
In een studie gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society Het team gebruikte spectroscopie om te onthullen hoe de chemische soorten die betrokken zijn bij de door iridiumoxide gekatalyseerde zuurstofevolutiereactie (OER) interageren met de oplossing om hen heen.
De OER is belangrijk bij veel schone energieprocessen, zoals het omzetten van koolstofdioxide in bruikbare vloeibare brandstoffen en het genereren van groene waterstof uit de elektrolyse van water. Beide processen zullen cruciaal zijn in een toekomst zonder fossiele brandstoffen. Daarom is het grondig begrijpen van de open leermiddelen een belangrijk onderzoeksfocus.
Katalytische processen kunnen complex zijn, waarbij verschillende tussenproducten betrokken zijn bij het verkrijgen van het uitgangsmateriaal tot het gewenste product. Met operandotechnieken kunnen deze tussenproducten worden onderzocht met behulp van spectroscopie tijdens de reactie, waardoor een inzicht ontstaat in wat er feitelijk gebeurt.
Met behulp van een elektrode met een iridiumoxide-oppervlak onderzochten de onderzoekers de oxidatie van watermoleculen in oplossingen met verschillende pH-waarden.
"Interactie tussen het elektrodeoppervlak en de geoxygeneerde tussenproducten is de sleutel tot de efficiëntie van de OER, dus het optimaliseren van het katalysatormateriaal is over het algemeen de focus geweest", legt senior auteur Reshma R. Rao van Imperial College London uit.
"De waarnemingen tot nu toe hebben echter onbeantwoorde vragen achtergelaten, dus hebben we de oplossingskant van de interface nader bekeken met behulp van operando UV-Vis-spectroscopie, röntgenabsorptiespectroscopie en oppervlakte-verbeterde infraroodspectroscopie."
Om een efficiënte reactie te bereiken, moet de binding van reactietussenproducten aan de elektrode precies goed zijn om de tussenproducten in staat te stellen met de elektrode te interageren, maar niet zo sterk dat ze aan de elektrode blijven plakken en niet kunnen reageren. De onderzoekers ontdekten dat de binding werd gecontroleerd door langeafstandsinteracties tussen de tussenproducten via de oplossing en dat dit afhankelijk was van de pH.
In alkalische omstandigheden beïnvloedde water nabij de elektrode de langeafstandsinteracties tussen de zuurstofrijke soorten, waardoor hun binding aan het oppervlak werd beïnvloed. Dus hoewel de tussenproducten sterker binden bij een hogere pH, destabiliseren de interacties die door grensvlakwater worden gefaciliteerd de zuurstofrijke soorten en zorgen ervoor dat de reactie kan plaatsvinden.
"Het gebruik van operandospectroscopie en complementaire technieken om direct inzicht te krijgen in de betrokken soorten heeft ons in staat gesteld het begrip van de katalysatorprestaties te verbreden, verder dan alleen de binding van elektroden", zegt senior auteur Yu Katayama. "Wij geloven dat dergelijk inzicht de sleutel zal zijn tot het optimaliseren van de kinetiek van de open leermiddelen."
De bevindingen zullen bijdragen aan het vergroten van de efficiëntie van wateroxidatie voor de productie van groene waterstof. Bovendien kan het combineren van operandospectroscopie met complementaire technieken nuttig zijn voor het begrijpen van de katalyse van veel andere processen.