Edelmetaalvrije nanodeeltjes kunnen in de toekomst als krachtige katalysatoren dienen, bijvoorbeeld voor waterstofproductie. Om ze te optimaliseren, onderzoekers moeten de eigenschappen van individuele deeltjes kunnen analyseren. Een nieuwe methode hiervoor is voorgesteld door een team van het Centrum voor Elektrochemie aan de Ruhr-Universität Bochum (RUB) en het Instituut voor Anorganische Chemie aan de Universiteit van Duisburg-Essen (UDE).

De groep ontwikkelde een methode met behulp van een robotarm waarmee ze individuele deeltjes onder een elektronenmicroscoop kunnen selecteren en op een nano-elektrode kunnen plaatsen voor elektrochemische analyse. De methode wordt beschreven in het tijdschrift Angewandte Chemie , op voorhand online gepubliceerd 19 november 2020.

Een robotarm gebruiken om nanodeeltjes op de elektrode te deponeren

Voor de onderzoeken, de wetenschappers gebruikten zeshoekige deeltjes kobaltoxide met een diameter van 180 tot 300 nanometer, die het Duisburg-Essen-team, bestaande uit professor Stephan Schulz en Sascha Saddeler, had gesynthetiseerd. In het experiment, de deeltjes katalyseerden de zogenaamde zuurstofevolutiereactie. Tijdens de elektrolyse van water, waterstof en zuurstof worden gevormd, waarbij de beperkende stap in dit proces momenteel de gedeeltelijke reactie is waarbij de zuurstof wordt gevormd. Efficiëntere katalysatoren voor de zuurstofontwikkelingsreactie zouden de efficiëntie voor elektrochemische watersplitsing onder vorming van waterstof vereenvoudigen. Nanodeeltjeskatalysatoren zouden hierbij moeten helpen. Omdat hun katalytische activiteit vaak afhangt van hun grootte of vorm, het is belangrijk om de eigenschappen van individuele deeltjes te begrijpen om de optimale katalysatoren te vinden.

Het Bochum-team bestaande uit Thomas Quast, Dr. Harshitha Barike Aiyappa, Dr. Patrick Wilde, Dr. Yen-Ting Chen en professor Wolfgang Schuhmann analyseerden eerst microscopisch geselecteerde kobaltoxidedeeltjes, dan elektrochemisch. "Met behulp van een beweegbare robotarm, we kunnen individuele nanodeeltjes uitkiezen onder de elektronenmicroscoop, " legt Schuhmann uit. "Het geselecteerde deeltje, die we dan microscopisch al kennen, we plaatsen op een kleine elektrode om te testen wat het als katalysator kan doen." De onderzoekers gebruiken vervolgens elektrochemische methoden om de katalytische activiteit voor de zuurstofontwikkelingsreactie te meten.

Hoge katalytische activiteit

Op deze manier, de chemici analyseerden verschillende individuele deeltjes. Omdat ze de grootte en kristaloriëntatie van een deeltje kenden, ze waren in staat om de katalytische activiteit te relateren aan het aantal kobaltatomen. "Hier, de deeltjes vertoonden opmerkelijk hoge activiteiten in de zuurstofontwikkelingsreactie, en de gemeten stroomdichtheden waren meer dan 20 keer hoger dan in de handel verkrijgbare alkalische elektrolyzers, ", zegt Stephan Schulz.

"Wij zijn van mening dat door de voorgestelde methode toe te passen, enkelvoudige deeltjesanalyse van katalysatormaterialen heeft eindelijk het punt bereikt van betrouwbare en relatief eenvoudige monstervoorbereiding en karakterisering, die cruciaal zijn voor het tot stand brengen van structuur-functierelaties, ’ schrijven de auteurs tot slot.