Utvinning av regenerativ energi genererar ofta mer el än vad som direkt behövs. Elektrokemiska processer kan användas för att lagra överskottsenergin eller göra den användbar. Även om intensiv forskning om de katalysatorer som krävs för detta har pågått i 20 år, framsteg görs bara i små steg. Vad skulle behöva förändras inom forskningen för att utveckla effektiva, stabila och selektiva katalysatorer för industriell tillämpning beskrivs av Dr. Justus Masa från Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion, Professor Corina Andronescu vid universitetet i Duisburg-Essen och professor Wolfgang Schuhmann vid Ruhr-Universität Bochum i en översiktsartikel. Den publicerades online i tidskriften Angewandte Chemie den 30 juni 2020.

Kemiska reaktioner för energiomvandling

Tre kemiska reaktioner skulle vara särskilt lämpliga för energiomvandling:elektrolys av vatten till väte och syre, som senare kan användas för att generera elektrisk energi i bränsleceller; omvandling av kväve till ammoniak, ett viktigt utgångsmaterial för den kemiska industrin; och den elektrokemiska omvandlingen av CO ₂ till andra utgångsmaterial för industrin, såsom eten.

Aktivitet, selektivitet och stabilitet hos katalysatorer

I deras recensionsartikel, författarna beskriver att forskning om nya katalysatorer alltid måste ha tre faktorer i åtanke:aktivitet, selektivitet och stabilitet. Aktivitet beskriver hur kraftfull en katalysator är vid en given energitillförsel. Selektivitet definieras som förmågan att producera det önskade ämnet utan att förorena biprodukter. Stabiliteten indikerar hur effektiv en katalysator är i längden.

"Många publikationer hävdar hög aktivitet, stabilitet och selektivitet hos elektrokatalysatorer för viktiga energiomvandlingsreaktioner, men det saknas bevis, säger Wolfgang Schuhmann, chef för Centrum för elektrokemi och medlem i Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence, Resolv.

Klyftan mellan grundforskning och tillämpning

Masa, Andronescu och Schuhmann kritiserar, bland annat, att stabiliteten hos katalysatorer ofta inte är tillräckligt viktig. "Underskattningen av katalysatorstabiliteten är till stor del ansvarig för det enorma gapet mellan till synes spännande genombrott i utformningen av aktiva katalysatorer och det praktiska genomförandet av sådana katalysatorer i tekniska tillämpningar, " de skriver.

Teamet identifierar fem faktorer som hindrar steget från forskning till praktik:

• Katalysatorernas prestanda och materialegenskaper under applikationsrelevanta förhållanden skiljer sig från de under laboratorieförhållanden.
• Det finns inga definierade riktlinjer för bedömning och jämförelse av katalysatorernas prestanda.
• Olämpliga karakteriseringsmetoder används ofta för att bestämma prestandan av elektrokatalytiska reaktioner.
• För lite är känt om katalysatorernas aktiva centra och deras långsiktiga stabilitet. Till exempel, påverkan av omgivande lösningsmedelsmolekyler och joner på funktionen försummas.
• För att bestämma aktiviteten hos en katalysator, dess faktiska ytarea måste vara känd. Nanopartikelensembler används ofta som katalysatorer för vilka konventionella metoder för ytbestämning inte är lämpliga.

I deras artikel, Justus Masa, Corina Andronescu och Wolfgang Schuhmann använder experimentella resultat för att visa hur viktigt det är att alltid tänka på stabiliteten hos katalysatorer på ett integrerat sätt med deras aktivitet. De föreslår olika metoder för att tillförlitligt mäta aktiviteten och hänvisar till nanoelektrokemi. Om nanopartikelensembler används som katalysatorer, enskilda nanopartiklar bör karakteriseras, inte partikelensembler, annars kommer störningar att inträffa. Till sist, författarna efterlyser ett paradigmskifte i katalysatordesign. De listar lovande tillvägagångssätt som skulle kunna producera de önskade produkterna på ett mycket selektivt sätt.