Balans utgör grunden för ett lyckligt liv eller en hälsosam kost. För forskare som arbetar med att designa nya katalysatorer för att skapa förnybar energi, balansera olika material och deras egenskaper är lika viktigt. (Katalysatorer hjälper till att påskynda kemiska reaktioner.)

I en ny studie, forskare från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, Johns Hopkins University, Drexel University och flera universitet i Sydkorea använde ett nytt och kontraintuitivt tillvägagångssätt för att skapa en bättre katalysator som stöder en av reaktionerna vid splittring av vatten i väte och syre. Forskare planerar att använda det genererade vätet som ett rent bränsle.

Genom att först skapa en legering av två av de tätaste naturligt förekommande elementen och sedan ta bort ett, forskarna omformade det återstående materialets struktur så att det bättre balanserade tre faktorer som är viktiga för kemiska reaktioner:aktivitet, stabilitet och konduktivitet.

"Att hitta ett material som fungerar bra för energiomvandling eller lagring är som att skapa ett lyckligt äktenskap, "sa Nenad Markovic, en Argonne materialvetare och författare till studien. "I vårat fall, vi fann att ett dynamiskt partnerskap mellan två olika material hjälpte oss att integrera konkurrerande problem. "

Forskare som letar efter nya katalysatorer har letat igenom det periodiska systemet för att hitta rätt element eller kombinationer av element för att maximera katalysatorns aktivitet vid vattensplittande reaktioner, liksom hållbarheten för de aktiva platserna på dess yta. Hitta material som är både stabila och aktiva, dock, har varit en utmaning.

"Mer aktiva katalysatorer tenderar att vara mindre stabila, "Markovic sa." De som verkar fungera dubbelt så bra arbetar vanligtvis bara hälften så länge. Det blir uppenbart att det inte räcker med att designa aktiva katalysatorer - vi behöver inte bara ha aktiva, men också stabil, material. "

För den nya katalysatorn, Markovic och hans kollegor vände sig till iridium, en metall som oftast förknippas med meteoriter. Som en tunn film, iridium är katalytiskt aktivt, men när den reagerar över tiden med en elektrolytmiljö, iridiumatomer oxideras. Under denna process, några av dem lämnar katalysatorns yta genom korrosion, alltmer försämrar dess prestanda.

Forskargruppen arbetade för att förhindra oxidation genom att omorganisera iridiumets struktur. För att hjälpa till att stabilisera och aktivera iridium, de legerade det med sin granne på det periodiska systemet, osmium.

Till skillnad från iridium, osmium är varken katalytiskt aktivt eller stabilt, men det gav en viktig fördel. Efter att ha legerat osmium och iridium tillsammans, forskarna avlegerade sedan de två metallerna, lämnar bara en omkonfigurerad struktur av tredimensionella iridium-nanoporer.

"Utan osmium, iridium skulle aldrig uppnå detta tillstånd, "Markovic sa." Vi behövde införa och sedan ta bort osmium för att få en form av iridium som var både aktivt och stabilt. "

Markovic sa att varje nanopores förbättrade katalytiska stabilitet beror på att den lilla volymen elektrolyt i en por snabbt blir mättad med iridiumjoner så att ytatomer slutar lösa sig, på ungefär samma sätt som det är lättare att mätta en tekopp vatten med socker än en 10-gallons kanna.

Medan nanopores struktur tog itu med behovet av ett stall, aktiv katalysator, det var en annan aspekt av iridiumets omkonfigurering som bidrog till att öka materialets elektronledningsförmåga. Under driftsförhållanden, den porösa katalysatorn bildar faktiskt ett unikt skal av mindre ledande iridiumoxid runt dess mycket ledande iridiummetallinteriör. Den här vägen, elektroner kan lätt röra sig genom det mesta av katalysatorn för att nå ytan, där vattenmolekylen väntar på elektroner för att initiera vattensplittrande reaktion.

"Väsentligen, vi försöker hitta ett sätt att skicka elektroner igenom på motorvägen, 'snarare än att få dem att ta sidvägarna, "Sade Markovic." Denna kärna-skal-konfiguration [av det nanoporösa materialet] gör att vi kan göra det. "

Studien, "Balansaktivitet, stabilitet och konduktivitet för nanoporösa kärnhölje iridium/iridiumoxid syreutvecklingskatalysatorer, "dök upp i 13 november -numret av Naturkommunikation .