Northwestern University forskare har utvecklat en mer effektiv och stabil metod för att utföra elektrokatalytiska reaktioner.

Tekniken, som fluidiserar katalysatorpartiklar i elektrolyt istället för att limma dem på elektroder, undviker en snabb nedgång i reaktionsprestanda - ett fenomen som forskare kallar trötthet. Metoden kan förbättra produktionsprocesser för elektrolys och elektrokemisk energiomvandling och lagring.

"Det har gjorts omfattande ansträngningar för att hitta nya högpresterande katalysatorer som också bättre klarar elektrokemiska reaktioner, "sa Jiaxing Huang, professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering, som ledde forskningen. "Vi utvecklade ett drastiskt annorlunda tillvägagångssätt för att göra elektrokatalys mindre benägen att förfalla - inte genom att hitta annat nytt material, men genom att göra reaktionen annorlunda. "

Studien, med titeln "Fluidized Electrocatalysis, "publicerades den 10 februari i tidningen CCS kemi och finns på omslaget till februarinumret.

I en typisk elektrokatalysinställning, när katalytiska material har limmats på elektroden, de blötläggs i elektrolyt och genomgår en reaktion som ansporsas av en spänning. Eftersom spänningen kontinuerligt appliceras genom elektroden, materialen upplever kontinuerlig elektrokemisk stress. Över tid, deras katalytiska prestanda kan förfalla på grund av ackumulerade strukturella skador i elektroden som helhet, eller på enskilda partiklar.

Teamets tillvägagångssätt undviker kontinuerlig stress genom att fluidisera partiklarna i elektrolyten. Nu arbetar partiklarna i rotation, upplever elektrokemisk stress bara en stund när den kolliderar med elektroden. Kollektivt, utsignalen från de enskilda kollisionshändelserna smälter samman till en kontinuerlig och stabil elektrokemisk ström.

"Fluiderad elektrokatalys bryter den rumsliga och tidsmässiga kontinuum av elektrokemiska reaktioner, göra katalysatorerna mer effektiva. "sade Huang." Fluidisering minskar också masstransportgränsen för reaktanterna till katalysatorn, eftersom partiklarna simmar i elektrolyten. "

Huang testade sina idéer med hjälp av en välkänd, kommersiellt tillgänglig katalysator kallad Pt/C, som är gjord av kolsvartpulver dekorerat av platina nanopartiklar för att katalysera syreutvecklingen, väteutveckling, och metanoloxidationsreaktioner. Dessa tre elektrokemiska reaktioner, när den katalyseras av Pt/C, normalt lider av allvarliga prestandaförfall, men alla visade högre effektivitet och stabilitet när partiklarna fluidiserades.

"Den nya strategin gör att en instabil katalysator levererar stabil prestanda för alla tre modellreaktionerna. Det var ett spännande proof-of-concept, "sa Yi-Ge Zhou, den första författaren till tidningen och en tidigare besökande postdoc i Huangs grupp. "När vi beräknade enkelpartikeleffektivitet för några av dessa reaktioner, den var minst tre storleksordningar högre än de fasta partiklarna. Istället för att stressa dem, vi gav partiklarna en chans att slappna av, och de blev mycket mer effektiva som ett resultat. "

Medan mer arbete behövs för att identifiera de typer av elektrokemiska reaktioner som bäst kan maximera nyttan av fluidiserad elektrokatalys, Huang tror att hans metod kan tillämpas på en mängd olika typer av material och producera mer effektivt, längre varande elektrokatalytiska reaktioner. Detta kan leda till förbättrade elektrokemiska syntesprocesser, som spelar en viktig roll för att omvandla energi till kemikalier för storskalig energilagring.

"Jag hoppas att andra forskare överväger vår metod att omvärdera sina katalysatorer. Det vore spännande att se tidigare ansedda oanvändbara katalysatorer bli användbara, Sa Huang.