Ny forskning har afsløret de grundlæggende mekanismer, der begrænser ydelsen af kobberkatalysatorer – kritiske komponenter i kunstig fotosyntese, der omdanner kuldioxid og vand til værdifulde brændstoffer og kemikalier.
I en undersøgelse, der blev ledet af forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og SLAC National Accelerator Laboratory, har forskere brugt sofistikerede røntgenteknikker til direkte at observere, hvordan kobber-nanopartikler ændrer sig under den katalytiske proces.
Ved at anvende småvinkel røntgenstrålespredning (SAXS)-en teknik, der traditionelt bruges til at studere bløde materialer som polymerer-på dette katalysatorsystem, fik teamet hidtil uset indsigt i katalysatornedbrydning, der har forundret forskere i årtier.
Arbejdet er en del af Liquid Sunlight Alliance (LISA) DOE Energy Innovation Hub. Anført af Caltech i tæt partnerskab med Berkeley Lab, samler Lisa mere end 100 forskere fra National Lab Partners i SLAC og National Renewable Energy Laboratory og University Partners i UC Irvine, UC San Diego og University of Oregon.
Dette multi-institutionelle samarbejde blev lanceret i 2020 og udvikler de videnskabelige principper, der er nødvendige for effektivt og selektivt at generere flydende brændstoffer fra sollys, vand, kuldioxid og nitrogen.
Co2 elektrokemisk reduktionsreaktion (CO2RR) -processen har fascineret forskere i årtier som en lovende måde at fremstille brændstof og andre vigtige forbindelser på. Et stort gennembrud i 1980’erne identificerede kobber som en højtydende katalysator til transformation af CO2 og vand til at starte ingredienser til flydende brændstoffer og kemikalier som ethylen og ethanol.
Efterfølgende undersøgelser viste, at kobber indeholder aktive steder, hvor elektrokatalyse finder sted: elektroner fra kobberoverfladen interagerer med kuldioxid og vand i en række trin, der omdanner dem til produkter som ethanolbrændstof og ethylen til plast. Forskere undersøger måder at indstille disse aktive steder til selektivt at producere specifikke kemikalier, herunder ethanol, ethylen og propanol.
Men Copper’s super-katalytiske egenskaber forringes hurtigt under CO2RR, der mindsker sin præstation over tid. Gennem årene har forskere kigget efter måder at forhindre dette præstationstab på, men de kemiske og fysiske processer, der kontrollerer denne forringelse, var uklare.
Med Berkeley Lab og SLAC -forskernes undersøgelse – offentliggjort for nylig i Journal of the American Chemical Society– Disse processer er mindre mystiske takket være en innovativ anvendelse af sprednings- og billeddannelsesteknikker, der gjorde det muligt for forskerne2RR Catalyst: Particle Migration and Coalescence (PMC), hvor mindre partikler kombineres i større, og Ostwald -modning, hvor større partikler vokser på bekostning af mindre partikler.
“Vores tilgang gjorde det muligt for os at undersøge, hvordan nanoskala-størrelsesfordelingen udvikler sig som en funktion af driftsbetingelserne, og at identificere to forskellige mekanismer, som vi derefter kan bruge til at guide vores bestræbelser på at stabilisere disse systemer og beskytte dem mod nedbrydning,” sagde Walter Drisdell, en co-korresponderende forfatter på papiret, der også er en personalevidenskab i Berkeley Labs Chemical Sciences Division og Principal Investigator med Lisa.
I denne undersøgelse anvendte forskerne en teknik kaldet lille vinkel røntgenstrålespredning (SAXS) ved Stanford Synchrotron Radiation LightSource (SSRL) ved SLAC for at spore størrelsen og formfordelingen af ensartet formet 7-nanometer kobberoxid-nanopartikler under forskellige elektriske spændinger i en brugerdefineret designet elektrokemisk celle med en aqueous elektricte.
Når du kører CO2RR -reaktion i en time fandt forskerne, at PMC -processen dominerer i de første 12 minutter, og derefter overtager Ostwald -modningen. Under PMC -mekanismen vandrer nanopartiklerne og samles sammen til klynger. Når Ostwald -modningsprocessen overtager, opløses og genposeres mindre nanopartikler på større nanopartikler, den samme proces, der kan skabe crunchy vandkrystaller i is.
Yderligere analyser i den aktuelle undersøgelse viste, at lavere spændinger, hvor reaktioner er langsommere, udløser migration og agglomerering af PMC -processen – og større spændinger hastighedsreaktioner op, hvilket øger opløsningen og omdisponeringsprocessen for modning af Ostwald.
Separate in situ røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) -målinger ved SSRL viser, at kobberoxid-nanopartiklerne reduceres til kobbermetal, før omstruktureringen begynder, og billeddannelse efter mortem bekræftede, at nanopartiklerne havde migreret og dannet store agglomerater. Billeddannelsen blev opnået under anvendelse af avancerede elektronmikroskopiteknikker ved Berkeley Labs molekylære støberi.
“Disse resultater antyder forskellige afbødningsstrategier for at beskytte katalysatorer afhængigt af de ønskede driftsbetingelser, såsom forbedrede understøttelsesmaterialer til at begrænse PMC eller legeringsstrategier og fysiske belægninger for at langsom opløsning og reducere Ostwald -modning,” sagde Drisdell.
I fremtidige undersøgelser planlægger Drisdell og Team at teste forskellige beskyttelsesordninger og fortsætte med at arbejde med deres Lisa -kolleger på Caltech for at designe katalytiske belægninger med organiske molekyler og teste disse belægningernes evne til at styre co2RR -reaktioner til produktion af specifikke brændstoffer og kemikalier.