Kobber har mange anvendelser – i elektriske ledninger, VVS og endda mønter. Med sin overflod og relativt lave prismærke er kobber også længe blevet brugt som en katalysator til at fremskynde kemiske reaktioner – især vand- og kuldioxidelektrolyse, hvor kobber fungerer som en elektrode og katalysator til anvendelse af elektricitet til at producere brændstoffer.
Problemet er, at almindeligt kobber ikke er den mest holdbare katalysator, så forskere har søgt efter måder at forbedre det på. En tilgang er at oxidere den, en proces i det væsentlige den samme som rustende jern. I 1970’erne teoretiserede kemiker Marcel Pourbaix, at særligt holdbare former for stærkt oxideret kobber skulle eksistere. Forskere har jagtet efter disse former lige siden.
Endelig har et team ledet af forskere ved det amerikanske Energispartement (DOE) SLAC National Accelerator Laboratory fundet denne undvigende form for kobber gennem avancerede beregningsmetoder og avancerede eksperimentelle teknikker.
Holdet – inklusive forskere fra Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Stanford University, National Institute for Standards and Technology (NIST), University of California, Berkeley og National Renewable Energy Laboratory – er en del af Liquid Suniance Alliance (LISA), A DOE FUELS fra Sunlight Energy Innovation Hub.
Offentliggjort i Journal of the American Chemical Societyderes fund kortlægger under hvilke forhold denne specielle form for kobber er mest stabil, og baner vejen for at gøre mere holdbare kobberkatalysatorer.
For at fremstille dette materiale – specifikt, en slags kobberhydroxid med kemisk formel Cuooh – anvendte forskerne elektricitet på kobberelektroder nedsænket i et elektrolytbad.
Men med den nøjagtige elektriske spænding var surhedsgrad og mange andre variabler at overveje, fremstille og identificere denne kobberforbindelse ikke blot et spørgsmål om at tænde systemet. For at tackle denne udfordring brugte co-lead forfatter og SLAC og Suncat Center for Interface Science and Catalysis Postdoctoral Fellow Pooja Basera kraftfulde beregningsmetoder til at forudsige forhold, hvor de kunne producere de slags kobberforbindelser, de var efter.
Ved hjælp af en supercomputer i National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) på Berkeley Lab, gjorde de netop det. “Det matchede meget godt med Pourbaix ‘hypotese,” sagde Basera. “Vi var glade for at kunne finde ud af, hvor vi kunne finde denne form for kobber.”
Holdet vendte sig derefter til Stanford Synchrotron Strålingslyssources (SSRL’er) lyse røntgenbilleder ved SLAC for at teste disse forudsigelser. Da katalytiske reaktioner finder sted i de første par atomlag af katalysatoren, havde de brug for teknikker, der var følsomme over for overfladeaktioner under driftsbetingelser for at fange dannelsen af oxiderede kobberforbindelser i detaljer.
En ny teknik har denne følsomhed. Udviklet af SSRL- og Berkeley Lab-forskere, modulerings-excitation røntgenabsorptionsspektroskopi-cyklusser elektriske impulser til og slukket ved hurtige hastigheder, mens prøverne med røntgenstråler afslører “strukturelle fingeraftryk” i kobberelektroderne.
“Vi kunne, som forudsagt af beregningerne, en ny kobberspektralunderskrift, vi ikke har set før,”, der angiver tilstedeværelsen af kobberhydroxid, sagde Angel T. Garcia-Esparza, en SSRL-stabsvidenskabsmand.
Holdet ønskede også at forstå et andet vigtigt stykke af puslespillet: hvordan denne kobberforbindelse dannes. Yang Zhao, postdoktorisk forsker og Shannon Boettcher, seniorforsker, på Berkeley Lab anvendte en anden specialiseret teknik, Operando Raman -spektroskopi. De skinnede synligt lys på prøven for at måle, hvordan bindingerne mellem atomer vibrerede. Disse molekylære vibrationer fungerer som fingeraftryk, der hjælper med at identificere forskellige kemiske arter.
Efterhånden som spændingen steg til et højt niveau – Beyond, hvad der typisk bruges i kobberundersøgelser – dukkede et nyt signal op. Dette signal matchede beregningsforudsigelser og gav stærke bevis for, at kobberen omdannede til en Cuooh -fase.
Disse beregninger og fingeraftryk viser, at kobber i den rigtige form kan modstå højere driftsspændinger og øge dens holdbarhed, sagde Michal Bajdich, en SLAC -personaleforsker og hovedforfatter af denne undersøgelse.
Forøgelse af holdbarheden af kobberkatalysatorer har vigtige konsekvenser i opdeling af elektrokemisk vand, processen med at opdele vand i ilt og brint, hvilket kan hjælpe med at skabe de brændstof, samfundet har brug for i en mere omkostningseffektiv, mindre energikrævende måde, især hvis energi fra solen bruges i stedet for andre kilder.
Mens kobber nu kun bruges i den negativt ladede vandspaltende elektrode, åbner resultaterne døren til at bruge kobber til både de negativt og positivt ladede elektroder og derved potentielt erstatte dyrere og knappe materialer, der bruges nu.
Kombinationen af avancerede beregningsmuligheder med avancerede teknikker, vi udvikler hos SLAC, giver os mulighed for at afsløre undvigende katalytiske tilstande, sagde Dimosthenis Sokaras, co-principal efterforsker og SSRL-seniorforsker. Sådanne grundlæggende undersøgelser bidrager til at etablere nye eller nye kemiske transformationsteknologier.
Efter at have løst mysteriet med kobber, sagde teamet, at deres tilgang kan hjælpe med at finde højere oxidationstilstande af andre katalytiske materialer med det overordnede mål at designe mere stabile, holdbare katalysatorer for ikke kun vandopdeling, men også andre industrielt relevante kemiske reaktioner.