Under många år, forskare har letat efter ett effektivt och effektivt sätt att förvandla vatten till energilagrande bränslen med hjälp av sol- och vinddriven el, troligen genom att dela vatten i väte och syre. Att göra detta, de har letat efter katalysatorer för att få dessa vattenklyvningsreaktioner att hända.

Forskare har sedan en tid tillbaka vetat att oxider av många metaller, inklusive den välbekanta järnoxiden som kallas rost, kan fungera som vattenuppdelande katalysatorer, speciellt när atomerna i metalloxiderna är organiserade i små kluster. Dock, aktiviteten hos dessa kluster, eller domäner, kan variera enormt beroende på deras struktur.

I en ny studie av en besläktad grupp av koboltoxider, forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory försökte fastställa varför två liknande katalysatorer med något olika domänstorlekar betedde sig annorlunda.

"Vårt forskarlag ville verkligen förstå varför koboltoxider som kan kontrolleras så att de bara skiljer sig åt när det gäller deras domänstruktur har så olika vattenuppdelningsaktiviteter, sa kemisten David Tiede, Distinguished Fellow i Argonnes Chemical Sciences and Engineering division. "Att förstå detta skulle ge ett sätt att förstå vattenuppdelningskatalys för metalloxider mer generellt."

I studien, Tiede och hans kollegor använde Argonnes Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanoscale Materials (CNM), tillsammans med SLAC National Accelerator Laboratorys Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), alla DOE Office of Science användarfaciliteter. De kombinerade ett brett utbud av olika röntgentekniker och CNM:s elektronmikroskopikapacitet för att undersöka dessa domäner i atomär skala.

"Det spännande med den här forskningen är att vi har tagit ett verkligt multimodalt tillvägagångssätt som kombinerar kraften hos mjuka och hårda röntgenstrålar, sa Tiede.

Tiede och andra forskare presenterade en artikel om studien i Journal of the American Chemical Society , förra sommaren.

"Resonant röntgenteknik är ett kraftfullt verktyg för att tillhandahålla en mängd struktur och elektronisk information om metalloxidkatalysatorer, särskilt när de är strukturellt dåligt definierade, " tillade Argonne röntgenfysiker Jung Ho Kim, som var bland dessa författare.

Forskargruppen kunde visa att skillnaderna i katalytisk aktivitet styrs av konduktivitet på atomär skala.

När koboltoxiddomänerna bildades i närvaro av borat, forskarna såg att elektroner rörde sig relativt snabbt och smidigt genom hela materialet. När koboltoxiderna bildas med fosfat, dock, elektriska laddningar kunde inte migrera lika lätt.

Anledningen till denna skillnad, Tiede förklarade, är att koboltatomerna i koboltboratet kan dela elektroner med varandra i vad forskarna kallar hybridorbitaler. "Väsentligen, du kan tänka på hybridorbitaler i koboltborat som att vara som sociala medier på internet, medan orbitaler i koboltfosfat är som fasta telefoner, ", sa Tiede. "Information kan färdas snabbare genom alltid-på nätverksanslutningar."

Närvaron av hybridorbitaler i koboltborat gör materialet till en bättre vattensplittrande katalysator än koboltfosfat, även om den senare har mer aktiva katalytiska platser. "Att kunna flytta laddningarna till de aktiva platserna blir nyckelfaktorn för att bestämma effektiviteten hos katalysatorn, sa Tiede.

Vid undersökning av de två koboltoxiderna, Tiede och hans team fann något annat överraskande. Vanligtvis, vattenuppdelningsprocessen kräver bindningsbrytande och bindningsskapande steg som är de mest utmanande delarna av katalys, men i det här fallet, att få tillräckligt med laddning till de aktiva sajterna visade sig vara den svåraste delen. "Att få avgifter till webbplatserna tillräckligt snabbt är en viktig designparameter som vi måste lära oss att kontrollera, sa Tiede.

Att kombinera laddningsrörlighet med vattenuppdelningseffektivitet kommer att vara avgörande för att utveckla en katalysator som effektivt kan omvandla vatten till elektricitet. "Du kan ha världens bästa luftkonditionering, men om kablarna i ditt hus är hemska, du kommer inte att få det att fungera ordentligt, "Tiede tillade. "Vattenklyvningsplatsen gör många komplicerade saker, men om den inte får tillräckligt med ström, det kommer inte att göra så mycket."

Uppsatsen baserad på studien, "Upplösning av elektroniska och strukturella faktorer som ligger bakom syreutvecklande prestanda i amorfa koboltoxidkatalysatorer, " dök upp i numret av den 20 juli Journal of the American Chemical Society .