Ученые из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США и Стэнфордского университета сообщили , что новый способ закрепления отдельных атомов иридия на поверхности катализатора повысил его эффективность в расщеплении молекул воды до рекордных уровней.
Впервые этот подход был применен к реакции выделения кислорода или ООР — части процесса, называемого электролизом, который использует электричество для расщепления воды на водород и кислород. При использовании возобновляемых источников энергии электролиз мог бы производить топливо и химическое сырье более устойчиво и сократить использование ископаемого топлива. Но медленные темпы OER были препятствием на пути повышения его эффективности, чтобы конкурировать на рынке.
По словам исследовательской группы, результаты этого исследования могут облегчить возникновение узких мест и открыть новые возможности для наблюдения и понимания того, как эти одноатомные каталитические центры работают в реальных условиях работы.
Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences .
Промышленные магистрали
Катализаторы являются основой химической промышленности и открывают перспективы устойчивого развития энергетики в будущем. Катализаторы захватывают молекулы из проходящего потока жидкости или газа и побуждают их вступать в реакцию друг с другом, не поглощая их самих. Чтобы максимизировать эффективность этого процесса, наночастицы катализатора обычно рассеиваются на поверхности пористого материала, который обеспечивает максимально возможную площадь поверхности для одновременного протекания множества реакций.
Но только атомы снаружи наночастицы могут участвовать в катализе; внутренние тратятся впустую. Когда катализатор представляет собой дорогой драгоценный металл, такой как иридий или платина, даже небольшое количество отходов обходится дорого. Поэтому ученые работают над использованием вместо этого отдельных атомов этих драгоценных металлов. Каждый атом является каталитическим реакционным центром. Их крошечный размер означает, что на поверхности данной опорной конструкции может поместиться гораздо больше из них. Это значительно увеличивает количество активного катализатора, который подвергается воздействию реагентов, и количество реакций, которые могут происходить одновременно, повышая эффективность.
В этом исследовании группа во главе с профессором SLAC / Стэнфорда И Цуй и штатным научным сотрудником SLAC Михалом Байдичем разработала новый способ закрепления отдельных атомов иридия на поддерживающей поверхности. Исследователи из Стэнфорда Сюэли Чжэн и Цзин Тан провели эксперимент, опираясь на теоретическое моделирование рентгеновских данных, полученных от младшего научного сотрудника SLAC Алессандро Галло, которое показало, какая конфигурация будет наиболее стабильной и эффективной.
Атомная привязка
Чтобы создать новый катализатор, исследователи сначала создали пористую структуру для поддержки атомов иридия, которые будут катализировать реакцию.
Они подвергли эту пенообразную структуру раствору, содержащему соединения иридия, быстро заморозили его, чтобы создать тонкий, богатый иридием слой льда на поверхности, и провели дополнительную обработку для создания хорошо распределенных участков, на которых отдельные атомы иридия были плотно закреплены на поверхности.
Рентгеновские наблюдения за работой катализатора показали, что атомы иридия находятся в таком химическом состоянии, которое делает их исключительно эффективными в проведении той части реакции расщепления воды, которая выделяет кислород.
Другие тесты показали, что эта повышенная активность была полностью обусловлена тем фактом, что иридий был в форме одиночных изолированных атомов, а не только большой площадью поверхности, на которой они были внедрены.
Полученный катализатор лучше, чем большинство известных на сегодняшний день катализаторов на основе иридия, сообщили исследователи. Они сказали, что эта новая система атома обеспечивает идеальную модель для исследования и установления связи между катализаторами и их поддерживающими структурами для различных электрокаталитических реакций.
Иллюстрация: Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК