Rice University forskare har tagit en djup titt på atomtjocka katalysatorer som producerar väte för att se exakt var det kommer ifrån. Deras resultat kan påskynda utvecklingen av 2D-material för energitillämpningar, som bränsleceller.

Materialforskaren Jun Lous rislabb, med kollegor vid Los Alamos National Laboratory, utvecklat en teknik för att sondera genom små "fönster" skapade av en elektronstråle och mäta den katalytiska aktiviteten av molybdendisulfid, ett tvådimensionellt material som visar lovande för tillämpningar som använder elektrokatalys för att extrahera väte från vatten.

Inledande tester på två varianter av materialet visade att den största delen av produktionen kommer från de tunna plåtarnas kanter. Forskarna rapporterade sina resultat denna månad i Avancerade material .

Forskare visste redan att kanterna på 2D-material är där den katalytiska verkan är, så all information som hjälper till att maximera den är värdefull, sa Lou.

"Vi använder den här nya tekniken för att identifiera de aktiva webbplatser som länge har förutspåtts av teorin, " sa han. "Det fanns några indirekta bevis på att kantplatserna alltid är mer aktiva än basplanen, men nu har vi direkta bevis."

De sondbärande mikrochippen som utvecklats vid Los Alamos och metoden skapad av Lou och huvudförfattaren Jing Zhang, en Rice-postdoktor, öppna en väg till snabb screening av potentiella reaktionskandidater för väteutveckling bland tvådimensionella material.

"Majoriteten av materialet finns på ytan, och du vill att det ska vara en aktiv katalysator, snarare än bara kanten, " sa Lou. "Om reaktionen bara sker vid kanten, du förlorar fördelen av att ha all yta som tillhandahålls av en 2D-geometri."

Labben testade molybdendisulfidflingor med olika kristallina strukturer kända som "1T prime" (eller förvrängd oktaedrisk) och 2H (trigonal prismatisk). "De är i princip samma material med samma kemiska sammansättning, men deras atomers positioner är olika, "Sade Lou. "1T prime är metallisk och 2H är en halvledare."

Han sa att forskare hittills experimentellt har bevisat att den mer konduktiva 1T -primen var katalytisk längs hela ytan, men Rice-studien visade att det inte var helt korrekt. "Våra resultat visade att 1T prime edge alltid är mer aktiv än basalplanet. Det var en ny upptäckt, " han sa.

Efter att ha gjort flingorna via kemisk ångavsättning, Zhang använde en elektronstråleförångningsmetod för att avsätta elektroder på enskilda flingor. Han tillsatte sedan ett isolerande lager av poly (metylmetakrylat), en transparent termoplast, och brände ett mönster av "fönster" i det inerta materialet genom e-beam litografi. Det gjorde att forskarna kunde undersöka både kanterna och basalplanen i 2-D-materialet, eller bara specifika kanter, vid submikronupplösning.

De 16 sonderna på det kvadratiska chipet som byggdes i Los Alamos pulserar energi in i flingorna genom fönstren. När väte produceras, den rymmer som en gas men stjäl en elektron från materialet. Det skapar en ström som kan mätas genom elektroderna. Sonder kan adresseras individuellt eller alla på en gång, gör det möjligt för forskare att få data för flera platser på en enda flinga eller från flera flingor.

Snabbtestning hjälper forskare att ändra sina mikroskopiska material mer effektivt för att maximera basalplanens katalytiska aktivitet. "Nu finns det incitament att använda styrkan hos detta material - dess yta - som en katalysator, "Sa Lou." Detta kommer att bli en mycket bra screeningteknik för att påskynda utvecklingen av 2-D-material. "