Atoomherschikking verandert de fysische en chemische eigenschappen van een materiaal, wat kan leiden tot mogelijke toepassingen in verschillende disciplines, ook in duurzame energie. Met twee decennia van gerichte aandacht voor hoe het reguleren van dergelijke herschikkingen - een proces dat fase-engineering wordt genoemd - duurzame energieconversieprocessen mogelijk kan maken, hebben onderzoekers in China het werk tot nu toe samengevat, inclusief hoe het veld zou kunnen vorderen.

Ze publiceerden hun recensie op 11 juli in Nano Research , met een specifieke focus op elektrokatalysatoren. Deze materialen activeren, verbeteren of lossen de chemische en elektrische reacties op die betrokken zijn bij het omzetten van energie in opslagbare of bruikbare formaten. Ze dienen vaak als elektrode of als elektrodecomponent.

"Fase-engineering is een belangrijke strategie voor het ontwerpen van efficiënte elektrokatalysatoren voor deze energieconversies, omdat het alle katalytisch actieve atomen in staat stelt om nieuwe roosters te herschikken en te vormen," zei co-corresponderende auteur Xiaoxin Zou, professor, State Key Laboratory of Anorganic Synthesis and Preparative Chemistry , College of Chemistry, Jilin University. "Dit biedt een geweldige kans om atomen rationeel te manipuleren om aantrekkelijke structurele kaders te ontdekken en om betere elektrokatalyse te bereiken. En hoewel verschillende onderzoekers de afgelopen jaren de bereiding van nanomaterialen hebben samengevat met nieuwe arrangementen, is dit de eerste systematische review om te rationaliseren hoe deze fasen invloed hebben op de elektrokatalytische activiteit."

Deze verschillende atomaire rangschikkingen staan ​​​​bekend als kristalfasen. Door te veranderen hoe de atomen zijn gerangschikt op het oppervlak van een vast materiaal, of in zijn bulk, kan dit drastisch veranderen wat het materiaal kan doen. Zou merkte echter op dat het oppervlak in wezen een verlengstuk van de bulk is en niet onafhankelijk kan bestaan, dus hun verbinding is de sleutel tot het ontwikkelen van gewenste en stabiele elektrokatalysatoren.

"De onderliggende logica van fase-engineering ligt in een intieme relatie tussen de eigenschappen van het oppervlak en van het grootste deel van een katalysator," zei Zou. "Het ontwerpen van de bulkfase van een katalysator, die het oppervlak direct beïnvloedt, is een krachtige strategie om zowel intern als extern slimme katalysatoren te ontwerpen."

De kristalstructuur van de bulk bepaalt de elektronische structuur van het materiaal, de geleidbaarheid en grotendeels de samenstelling van de oppervlaktelaag. Verschillende bulkkristalstructuren hebben verschillende kenmerken en oppervlakte-energieën, wat leidt tot diverse morfologie en katalytisch actieve plaatsen. Zelfs voor katalysatoren die aanzienlijke oppervlaktebeschadiging of reconstructie ondergaan tijdens het katalyseproces, zei Zou, heeft de initiële kristalstructuur van de bulk een sterke invloed op de reconstitutie en de uiteindelijke structuur van het oppervlak.

In de afgelopen 20 jaar hebben verschillende onderzoekers deze relatie onderzocht, waarbij ze onconventionele elektrokatalytische fasen hebben onderzocht en hoe dergelijke transformaties kunnen worden geïnduceerd. Gedreven door de vraag naar duurzame energieconversieprocessen, zoals stikstoffixatie en kooldioxidereductie, hebben onderzoekers geavanceerde karakteriseringstechnieken ontwikkeld, evenals de theorie die ten grondslag ligt aan experimenteel werk.

"Deze dingen maakten het mogelijk om de effecten van kristalfasen op de elektrokatalytische prestaties nauwkeurig en nauwkeurig te begrijpen," zei Zou. "Het is dus tijd om fase-engineering-gerelateerd onderzoek samen te vatten dat helpt bij het ontrafelen van fase-prestatierelaties en het verfijnen van de voorspelling in elektrokatalyse-onderzoeken."

Vervolgens bevelen Zou en zijn team onderzoekers aan om vier hoofdgebieden na te streven om kristalfase-engineering voor katalyseonderzoek verder te bevorderen.

"Om competente katalysatoren te ontwikkelen voor verschillende energieconversieprocessen vanuit een fasefocus, stellen we voor om de relatie tussen de kristalfase en katalytische activiteitsniveaus te onderzoeken; fase-engineering te combineren met andere ontwerpstrategieën; de vormings- en evolutiemechanismen van onconventionele fasen te ontrafelen; en verrijking van katalytische onderzoek naar meer vloeibare fasen," zei Zou. + Verder verkennen

Onderzoeken hoe oppervlakken veranderen in contact met reactieve gasfasen onder verschillende omstandigheden