En liten mängd klämning eller stretching kan ge en stor ökning av katalytisk prestanda, enligt en ny studie ledd av forskare vid Stanford University och SLAC National Accelerator Laboratory.

Upptäckten, publicerad 18 maj i Naturkommunikation , fokuserar på en industriell katalysator känd som ceriumoxid, eller ceria, ett svampigt material som vanligtvis används i katalysatorer, självrengörande ugnar och olika miljövänliga applikationer, som bränsleceller och solvattendelare.

"Ceria lagrar och frigör syre vid behov, som en svamp, " sa studiens medförfattare Will Chueh, en biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid Stanford och en fakultetsforskare vid SLAC. "Vi upptäckte att sträckning och komprimering av ceriumoxid med några få procent dramatiskt ökar dess syrelagringskapacitet. Detta fynd kullkastar konventionella kunskaper om oxidmaterial och kan leda till bättre katalysatorer."

Katalysatorer

Ceria har länge använts i katalysatorer för att hjälpa till att avlägsna luftföroreningar från fordons avgassystem.

"I din bil, ceria tar syre från giftig kväveoxid, skapar ofarlig kvävgas, " sade studiens huvudförfattare Chirranjeevi Balaji Gopal, en före detta postdoktor vid Stanford. "Ceria släpper sedan det lagrade syret och använder det för att omvandla dödlig kolmonoxid till godartad koldioxid."

Studier har visat att klämning och sträckning av cerium orsakar förändringar i nanoskala som påverkar dess förmåga att lagra syre.

"Syrelagringskapaciteten hos ceriumoxid är avgörande för dess effektivitet som katalysator, " sa studiens medförfattare Aleksandra Vojvodic, en tidigare stabsforskare vid SLAC nu vid University of Pennsylvania, som ledde beräkningsaspekten av detta arbete. "Den teoretiska förväntningen baserat på tidigare studier är att stretching av ceriumoxid skulle öka dess förmåga att lagra syre, medan komprimering skulle minska dess lagringskapacitet."

För att testa denna förutsägelse, forskargruppen odlade ultratunna filmer av ceria, var och en bara några nanometer tjock, ovanpå underlag gjorda av olika material. Denna process utsatte ceria för stress lika med 10, 000 gånger jordens atmosfär. Denna enorma stress fick ceriumoxidmolekylerna att separera och klämma ihop ett avstånd på mindre än en nanometer.

Överraskande resultat

Vanligtvis, material som ceriumoxid lindrar stress genom att bilda defekter i filmen. Men analys i atomskala avslöjade en överraskning.

"Att använda högupplöst transmissionselektronmikroskopi för att lösa enskilda atomers position, vi visade att filmerna förblir sträckta eller komprimerade utan att bilda sådana defekter, låta stressen förbli i full kraft, sa Robert Sinclair, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford.

För att mäta effekten av stress under verkliga driftsförhållanden, forskarna analyserade ceria-proverna med de briljanta strålarna av röntgenljus som producerades vid Lawrence Berkeley National Laboratorys Advanced Light Source.

Resultaten var ännu mer överraskande.

"Vi upptäckte att de ansträngda filmerna uppvisade en fyrfaldig ökning av syrelagringskapaciteten hos ceriumoxid, " Sa Gopal. "Det spelar ingen roll om du sträcker den eller komprimerar den. Du får en anmärkningsvärt liknande ökning."

Den högstressteknik som används av forskargruppen är lätt att uppnå genom nanoteknik, Chueh tillade.

"Denna upptäckt har betydande konsekvenser för hur man nanokonstruerar oxidmaterial för att förbättra katalytisk effektivitet för energiomvandling och lagring, ", sa han. "Det är viktigt för att utveckla bränsleceller med fast oxid och andra gröna energiteknologier, inklusive nya sätt att göra rena bränslen från koldioxid eller vatten."