Ett team ledd av prof. YU Shuhong och prof. HOU Zhonghuai från University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin utvecklade en teoristyrd mikrokemisk ingenjörskonst (MCE) för att manipulera reaktionskinetiken och därmed optimera den elektrokatalytiska prestandan för metanoloxidationsreaktion (MOR) i 3D-ordnad och tvärbunden kanal (3DOC). Studien publicerades i Journal of the American Chemical Society .

I mikro-nanoskala kemiteknik, två primära faktorer påverkar generellt den elektrokatalytiska kinetiken vid elektrod-elektrolytgränsytan, dvs. reaktionen på elektrodytan och massöverföring från elektrolyten till den nära ytan och inuti diffusionsskiktet.

Ytreaktionen kan optimeras genom att designa katalysatorer i nanoskala och öka porositeten för att öka de aktiva platserna, såväl som genom att justera den elektroniska strukturen och bindningsenergin för att öka den inneboende aktiviteten hos aktiva platser. För makrokatalysatorinvolverad elektrokatalys, massöverföringen från bulkelektrolyten till katalysatorytan är tillräckligt snabb på grund av diffusionsskiktets försumbara karakteristiska längd jämfört med katalysatorstorleken.

Dock, som katalysatorn minskar till nanoskala, massöverföringen avviker kraftigt från förutsägelsen av traditionell teori på grund av den jämförbara diffusionsskiktets längd. Därför, en ny metodik för att optimera kinetiken för givna katalysatorer är fortfarande brådskande för att maximera de elektrokatalytiska prestanda.

I den här studien, forskarna föreslog en MCE-metod som involverade optimering av katalysatorprocesser.

De valde platinananorör (Pt NTs) som modellkatalysator, använde luft-vätskegränssnitt och in-situ elektrokemisk etsning för att konstruera en idealisk 3D-ordnad och korsbunden kanal, och använde MOR som modellreaktion för att testa den elektrokatalytiska prestandan hos 3DOC. Mätresultaten indikerade att det finns en optimal kanalstorlek på 3DOC för MOR.

Förutom, baserat på elektrodytans funktion av fri energitäthet, forskarna etablerade en omfattande kinetisk modell som kopplar samman ytreaktionen och massöverföringen för att korrekt reglera kinetiken och optimera MOR-prestandan. Resultaten visade att ökning av kanalstorleken för 3DOC främjade massöverföringen från bulkelektrolyten till katalysatorytan, och försvagade det vertikala elektronflödet av reaktionen i 3DOC.

Denna konkurrens mellan massöverföring och ytreaktion ledde till den bästa MOR-prestandan på 3DOC med en specifik storlek. Under den optimerade kanalstorleken, massöverföring och ytreaktion i den kanalförsedda mikroreaktorn var båda väl reglerade.

Denna strukturella optimering, skiljer sig från den traditionellt termodynamiska katalysatordesignen, säkerställer en signifikant ökning av heterogen elektrokatalytisk prestanda. Genom att använda föreslagen MCE-kopplingsmassöverföring och ytreaktion, den kinetiska optimeringen i elektrokatalys kan realiseras. Denna MCE -strategi kommer att leda till ett språng framåt i strukturerad katalysatordesign och kinetisk modulering.