Het beheersen van de spin van elektronen opent toekomstscenario's voor toepassingen in op spin gebaseerde elektronica (spintronica), bijvoorbeeld in dataverwerking. Het biedt ook nieuwe mogelijkheden voor het beheersen van de selectiviteit en efficiëntie van chemische reacties. Onderzoekers presenteerden onlangs eerste successen met het voorbeeld van watersplitsing voor het produceren van "groene" waterstof en zuurstof. Een gezamenlijk project met werkgroepen van het Center for Soft Nanoscience van de Universiteit van Münster (Duitsland) en van het Institute of Chemistry van de Universiteit van Pittsburgh (Pennsylvania; Prof. David Waldeck) heeft nu de taak om de systematische ontwikkeling van spin -selectieve katalysatormaterialen.

Daartoe relateren de onderzoekers de katalytische activiteit van verschillende anorganische spin-polariserende materialen aan directe metingen van de spin-selectiviteit. De focus ligt op oxidematerialen die met opzet zijn gekweekt met een chirale structuur. Daarnaast willen de onderzoekers ook de oorsprong van spinpolarisatie in deze chirale materialen onderzoeken. De resultaten van een eerste studie van chirale koperoxidelagen zijn nu gepubliceerd in de ACS Nano dagboek.

De resultaten in het kort

Het team van Duitse en Amerikaanse onderzoekers onderzocht eerst chirale oxidekatalysatoren, in dit geval bestaande uit dunne, chirale koperoxidelagen op een dunne laag goud. Uit de gemeten data blijkt dat de spinpolarisatie van de elektronen afhangt van uit welke van deze lagen de elektronen komen. Het team beschouwt twee effecten die hiervoor verantwoordelijk zijn:het chiraliteit-geïnduceerde spinselectiviteit (CISS) effect en de magnetische opstelling in de chirale lagen. De resultaten moeten helpen bij de toekomstige productie van spin-selectieve katalytische oxidematerialen, waardoor de efficiëntie van chemische reacties wordt verbeterd.

Het voorbeeld van brandstofcellen:ongewenste elektronenspin vermindert de efficiëntie

In brandstofcellen reageren waterstof en zuurstof met elkaar en vormen water, waarbij elektrische energie vrijkomt. De waterstof is mogelijk eerder geproduceerd via het omgekeerde proces, waarbij watermoleculen worden afgebroken tot waterstof en zuurstof. De energie die hiervoor nodig is, kan worden geleverd door elektrische stroom uit regeneratieve energiebronnen of direct door zonlicht, zodat waterstof in de toekomst als energiebron kan dienen in een energiecyclus die is ontworpen om CO₂ -neutraal.

Wat een grootschalige commercialisering van het concept in de weg staat, bijvoorbeeld in elektrische voertuigen die op brandstofcellen rijden, is onder meer het lage rendement. Er moet veel energie worden gebruikt om de watermoleculen af ​​te breken, waardoor het op dit moment goedkoper is om deze energie direct te gebruiken voor het opladen van een auto-accu. Deze lagere efficiëntie bij het afbreken van watermoleculen is niet alleen een gevolg van de hoge overspanning die nodig is voor het ontwikkelen van zuurstof aan de anode van de elektrolysecel, maar ook van de productie van ongewenste bijproducten zoals waterstofperoxide en elektronisch geëxciteerde zuurstof. Door hun hoge reactiviteit kunnen deze bijproducten ook het elektrodemateriaal aantasten. Beide bijproducten komen voor in een zogenaamde singlet-toestand, waarbij de spins van de bij de moleculaire bindingen betrokken elektronen antiparallel aan elkaar zijn uitgelijnd. In het gewenste product van de reactie - zuurstof in de elektronische grondtoestand - is dit niet het geval omdat het een triplettoestand vormt met spins die parallel zijn uitgelijnd, en dus het genereren van slechts één spinrichting helpt om deze gewenste zuurstoftoestand te bereiken.

Nieuwe aanpak:oxidekatalysator produceert de gewenste elektronenspin

Dit is een nieuwe benadering omdat de spins van de radicalen die zijn geadsorbeerd op de oppervlakken van de katalysatoren, waaruit de bijproducten worden gevormd, parallel worden uitgelijnd. Een dergelijke parallelle uitlijning van de elektronenspins kan worden bereikt door gebruik te maken van een chiraal materiaal. In dit geval kan de overdracht van elektronen door de elektroden als gevolg van het CISS-effect, of door de structurele verandering in het oxide, spin-selectief zijn. Als gevolg hiervan wordt de vorming van moleculen in de ongewenste singlet-toestand onderdrukt en wordt de waterstofopbrengst verhoogd.

Hoewel onderzoekers met succes de spin-selectieve katalyse hebben aangetoond, is er nog steeds geen volledig begrip van de oorsprong van het CISS-effect. De spinselectieve transmissie van elektronen door spiraalvormige - en dus ook chirale - moleculen is aangetoond. Recentere studies tonen echter aan dat spinselectieve transmissie ook voorkomt in anorganische, niet-moleculaire chirale materialen. Inorganic, spin-filtering surfaces are more stable, chemically, than chiral molecular layers and permit greater current densities in the context of spin-selective catalysis.

The current study in detail

In the study now published, lead author Paul Möllers, a Ph.D. student at Münster University, examined chiral copper oxide films with a thickness of just a few nanometers which had previously been electrochemically deposited in a chiral form onto thin gold substrates by researchers from Pittsburgh. UV laser pulses were used to stimulate photoelectrons from the samples and their mean spin polarization was measured (in a spin polarimeter based on "Mott scattering"). Depending on whether the samples were hit from the oxide-covered front side or from the reverse side, in the process electrons with different energies were emitted from the gold substrate or from the oxide films themselves, in different proportions. By correlating the energy distribution with the spin polarization values measured, the Münster researchers showed that the electrons from both layers are polarized to different extents.

The electrons from the gold substrate are filtered, as regards their spin, by the CISS effect as they pass through the chiral layer. The electrons from the chiral copper oxide display an opposite spin polarization, and in the case of films with a thickness of more than 40 nanometers, there is a preponderance of these copper oxide electrons. Additional measurements carried out by the working group led by Prof. Heiko Wende at the Department of Physics at the University of Duisburg-Essen suggest that this reflects a magnetic arrangement in the chiral layers which is not observed in non-chiral oxide films with the same composition.

In order to follow up this hypothesis, the experimental set-up in Münster will be extended by having the possibility of measuring the spin polarization in electrons depending directly on their energy. Further measurements on chiral copper and cobalt oxide films will enable not only a clear differentiation to be made between both polarization mechanisms, but also chiral inorganic spin-selective catalyst materials to be designed specifically. + Verder verkennen

Chirality and chiral-induced spin selectivity