Elektrokemi spelar en allt viktigare roll:Oavsett om det är bränsleceller, elektrolys eller lagring av kemisk energi, kemiska reaktioner styrda av elektrisk ström används. Det avgörande i alla dessa applikationer är att reaktionerna är så snabba och effektiva som möjligt.

Ett viktigt steg framåt har nu tagits av ett team från TU Wien (Wien) och DESY i Hamburg:De visade att ett speciellt material tillverkat av lantan, strontium, järn och syre kan växlas fram och tillbaka mellan två olika tillstånd:I ett tillstånd är materialet katalytiskt extremt aktivt, i den andra mindre så. Anledningen till detta är beteendet hos små järnnanopartiklar på ytan, som nu har visats i experiment vid den tyska elektronsynkrotronen DESY i Hamburg. Detta fynd borde nu göra det möjligt att utveckla ännu bättre katalysatorer. Resultatet har publicerats i tidningen Naturkommunikation .

Elektrisk spänning får syrejoner att migrera

"Vi har använt perovskiter för våra elektrokemiska experiment i flera år, "säger professor Alexander Opitz från Institute of Chemical Technologies and Analytics." Perovskiter är en mycket varierande materialklass, några av dem är utmärkta katalysatorer." Ytan på perovskiterna kan hjälpa till att få vissa reaktanter i kontakt med varandra - eller att separera dem igen. "Framför allt, perovskiter har fördelen att de är permeabla för syrejoner. Därför, de kan leda elektrisk ström, och vi drar nytta av detta."

När en elektrisk spänning appliceras på perovskiten, syrejoner frigörs från sin plats i kristallen och börjar migrera genom materialet. Om spänningen överstiger ett visst värde, detta leder till att även järnatomer i perovskiten migrerar. De rör sig till ytan och bildar små partiklar där, med en diameter på bara några nanometer. Väsentligen, dessa nanopartiklar är utmärkta katalysatorer.

"Det intressanta är att om man vänder den elektriska spänningen, den katalytiska aktiviteten minskar igen. Och än så länge var orsaken till detta oklart, " säger Alexander Opitz. "Vissa människor misstänkte att järnatomerna helt enkelt skulle migrera tillbaka in i kristallen, men det är inte sant. När effekten inträffar, järnatomerna behöver inte lämna sin plats på materialytan alls."

Analys med röntgen på DESY

Forskargruppen vid TU Wien samarbetade med ett team vid Electron Synchrotron i Hamburg (DESY) för att exakt analysera nanopartiklarnas struktur med röntgen medan de kemiska processerna äger rum. Det visade sig att nanopartiklarna växlar fram och tillbaka mellan två olika tillstånd – beroende på vilken spänning som appliceras:"Vi kan växla järnpartiklarna mellan ett metalliskt och ett oxidiskt tillstånd, " säger Opitz. Den applicerade spänningen avgör om syrejonerna i materialet pumpas mot järnnanopartiklarna eller bort från dem. Detta gör det möjligt att kontrollera hur mycket syre som finns i nanopartiklarna, och beroende på mängden syre, nanopartiklarna kan bilda två olika strukturer – en syrerik, med låg katalytisk aktivitet, och en syrefattig, dvs metallisk, som är katalytiskt mycket aktiv.

"Detta är ett mycket viktigt fynd för oss, "säger han." Om växlingen mellan de två tillstånden orsakades av att nanopartikelns järnatomer diffunderade tillbaka in i kristallen, mycket höga temperaturer skulle behövas för att få denna process att fungera effektivt. Nu när vi förstår att aktivitetsförändringen inte är relaterad till diffusionen av järnatomer utan till förändringen mellan två olika kristallstrukturer, vi vet också att relativt låga temperaturer kan vara tillräckliga. Detta gör den här typen av katalysator ännu mer intressant eftersom den potentiellt kan användas för att påskynda tekniskt relevanta reaktioner."

Från väte till energilagring

Denna katalytiska mekanism ska nu undersökas ytterligare, även för material med lite olika sammansättning. Det kan öka effektiviteten för många applikationer. "Detta är särskilt intressant för kemiska reaktioner som är viktiga i energisektorn, säger Opitz. Till exempel, när det gäller produktion av väte eller syntesgas, eller till energilagring genom att producera bränsle med elektrisk ström."