(Phys.org) — Waterstof is een "groene" brandstof die schoon brandt en elektriciteit kan opwekken via brandstofcellen. Een manier om duurzaam waterstof te produceren is door watermoleculen te splitsen met behulp van de hernieuwbare kracht van zonlicht, maar wetenschappers leren nog steeds hoe ze deze reactie kunnen beheersen en optimaliseren met katalysatoren. Bij de National Synchrotron Light Source, een onderzoeksgroep heeft belangrijke structurele informatie bepaald over een potentiële katalysator, een stap zetten in de richting van het ontwerpen van een ideaal materiaal voor de klus.

Vanwege de mechanische en elektrische complexiteit van de watersplitsingsreactie, er zijn veel vereisten om een ​​katalysator optimaal te laten presteren. Wetenschappers moeten niet alleen de lokale moleculaire structuur van een kandidaat begrijpen, maar ook de structuur ervan over langere afstanden - met name de nanoschaal, wat meestal een goede indicator is voor het elektronische gedrag van een materiaal en dus voor de algehele katalytische activiteit ervan.

Wetenschappers richten zich steeds meer op een bepaalde groep katalysatoren:op kobalt gebaseerde dunne films. Deze films worden gemaakt via elektrodepositie uit waterige oplossingen van kobalt gemengd met een elektrolyt. In dit onderzoek, onderzoekers van de Columbia University, Harvard universiteit, en Brookhaven Lab gebruikten röntgenstralen om de nanoschaalstructuur op middellange afstand van een van deze films beter te begrijpen. Ze onderzochten ook de structurele verschillen tussen films gekweekt met behulp van twee elektrolyten:fosfaat, een negatief fosfor-zuurstof-ion, en boraat, negatief een boor-zuurstofion. De resulterende films worden aangeduid als CoPi en CoBi, respectievelijk.

Röntgenverstrooiingsgegevens van de CoPi- en CoBi-monsters, genomen bij NSLS beamline X7B, geven aan dat beide nanokristallijn zijn. Dit betekent dat ze bestaan ​​uit korrels op nanoschaal, elk variërend van ongeveer 1,5 tot 3 nanometer (nm) groot met een geordende moleculaire structuur. Afgezien van dit, er zijn duidelijke en belangrijke verschillen.

De CoBi-films bestaan ​​uit 3-4 nm cobalaat (kobalt-zuurstof) clusters die netjes tot drie lagen diep zijn gestapeld. De CoPi-films bestaan ​​uit aanzienlijk kleinere clusters die niet geordend stapelen.

Deze structurele verschillen lijken verband te houden met de katalytische activiteit van de films. Elektrochemische gegevens tonen aan dat, naarmate de filmdikte toenam, de CoBi-films waren actiever dan CoPi en vertoonden uiteindelijk een "aanzienlijk superieure" prestatie. Deze bevindingen suggereren dat de toename van de CoBi-filmdikte ook het effectieve oppervlak dat beschikbaar is voor katalyse vergroot, terwijl tegelijkertijd de ladingstransporteigenschappen van de films behouden blijven.

"Onze resultaten laten een concreet verschil zien tussen CoBi en CoPi, waardoor het eerste inzicht in een tastbare structuur-functie correlatie, " zei Harvard-chemicus en professor Daniel Nocera.

De groep plant aanvullende studies om een ​​aantal gerelateerde problemen te onderzoeken, zoals de aard van het ladingstransport tussen de CoBi-lagen en het gedrag van de films over een groter bereik dan de nanoschaal.