Nanopartiklar av icke-ädel metall kan en dag ersätta dyra katalysatorer för väteproduktion. Dock, det är ofta svårt att avgöra vilka reaktionshastigheter de kan uppnå, speciellt när det gäller oxidpartiklar. Detta beror på att partiklarna måste fästas på elektroden med hjälp av ett bindemedel och ledande tillsatser, som förvränger resultatet. Med hjälp av elektrokemiska analyser av enskilda partiklar, forskare har nu lyckats fastställa aktiviteten och ämnesomvandlingen av nanokatalysatorer gjorda av koboltjärnoxid – utan några bindemedel. Teamet under ledning av professor Kristina Tschulik från Ruhr-Universität Bochum rapporterar tillsammans med kollegor från universitetet i Duisburg-Essen och från Dresden i Journal of the American Chemical Society , publicerades online den 30 maj 2019.

"Utvecklingen av icke-ädelmetallkatalysatorer spelar en avgörande roll för att förverkliga energiomställningen eftersom endast de är billiga och tillgängliga i tillräckliga mängder för att producera de nödvändiga mängderna förnybara bränslen, säger Kristina Tschulik, en medlem av Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Väte, en lovande energikälla, kan alltså förvärvas genom att vatten spjälkas i väte och syre. Den begränsande faktorn här har hittills varit den partiella reaktionen i vilken syre produceras.

Bättre än reaktionshastigheter som för närvarande uppnås inom industrin

Hur effektivt koboltjärnoxidpartiklar kan katalysera syregenerering undersöktes av forskarna i det aktuella arbetet. De analyserade många enskilda partiklar efter varandra. Kemisterna tillät en partikel att katalysera syregenerering på elektrodens yta och mätte strömflödet från denna, som ger information om reaktionshastigheten. "Vi har mätt strömtätheter på flera kiloampere per kvadratmeter, ", säger Tschulik. "Detta är över de reaktionshastigheter som för närvarande är möjliga inom industrin."

Teamet visade att för partiklar mindre än tio nanometer, strömflödet är beroende av partikelstorleken - ju mindre katalysatorpartikeln är, desto mindre ström. Strömmen begränsas också av det syre som produceras i reaktionen och som diffunderar bort från partikelytan.

Extremt stabil trots hög stress

Efter katalysexperimenten, kemisterna observerade katalysatorpartiklarna under transmissionselektronmikroskopet. "Trots de höga reaktionshastigheterna, d.v.s. även om partiklarna hade skapat så mycket syre, de förändrades knappt, " säger Tschulik. "Stabiliteten under extrema förhållanden är exceptionell."

Analysmetoden som används i det aktuella arbetet kan också överföras till andra elektrokatalysatorer. "Det är viktigt att ta reda på mer om nanokatalysatorernas aktiviteter för att effektivt kunna vidareutveckla icke-ädelmetallkatalysatorer för morgondagens förnybara energiteknologier, " säger den Bochum-baserade kemisten. För att analysera effekten av partikelstorleken på den katalytiska aktiviteten, det är viktigt att syntetisera nanopartiklar med definierad storlek. Som en del av University Alliance Ruhr, Bochum-teamet samarbetar nära med forskare från universitetet i Duisburg-Essen under ledning av professor Stephan Schulz, som producerar katalysatorpartiklarna.