På väg till en CO ₂ -neutral ekonomi, vi måste fullända en hel rad teknologier – inklusive elektrokemisk utvinning av väte från vatten, bränsleceller, eller kolavskiljning. Alla dessa teknologier har en sak gemensamt:de fungerar bara om lämpliga katalysatorer används. Under många år, forskare har därför undersökt vilka material som är bäst lämpade för detta ändamål.

Vid TU Wien och Comet Center for Electrochemistry and Surface Technology CEST i Wiener Neustadt, en unik kombination av forskningsmetoder finns tillgänglig för denna typ av forskning. Tillsammans kunde forskare nu visa:Att leta efter den perfekta katalysatorn handlar inte bara om att hitta rätt material, men också om dess inriktning. Beroende på i vilken riktning en kristall skärs och vilka av dess atomer den sålunda presenterar för omvärlden på sin yta, dess beteende kan förändras dramatiskt.

Effektivitet eller stabilitet

"För många viktiga processer inom elektrokemi, ädla metaller används ofta som katalysatorer, såsom iridiumoxid eller platinapartiklar, " säger prof. Markus Valtiner från Institutet för tillämpad fysik vid TU Wien (IAP). I många fall är det katalysatorer med särskilt hög effektivitet. Det finns även andra viktiga punkter att tänka på:Stabiliteten hos en katalysator och materialens tillgänglighet och återvinningsbarhet. Det mest effektiva katalysatormaterialet är till liten nytta om det är en sällsynt metall, löses upp efter en kort tid, genomgår kemiska förändringar eller blir oanvändbar av andra skäl.

Av denna anledning, Övrig, mer hållbara katalysatorer är av intresse, såsom zinkoxid, även om de är ännu mindre effektiva. Genom att kombinera olika mätmetoder, Det är nu möjligt att visa att effektiviteten och stabiliteten hos sådana katalysatorer kan förbättras avsevärt genom att studera hur ytan på katalysatorkristallerna är uppbyggd i atomär skala.

Allt beror på riktningen

Kristaller kan ha olika ytor:"Låt oss föreställa oss en kubformad kristall som vi skär i två, " säger Markus Valtiner. "Vi kan skära kuben rakt genom mitten för att skapa två kuboider. Eller så kan vi skära den exakt diagonalt, i 45 graders vinkel. Skärytorna som vi får fram i dessa två fall är olika:Olika atomer ligger på olika avstånd från varandra på snittytan. Därför, dessa ytor kan också bete sig väldigt olika i kemiska processer”.

Zinkoxidkristaller är inte kubformade, men bildar bikakeliknande hexagoner - men samma princip gäller här, också:Dess egenskaper beror på arrangemanget av atomerna på ytan. "Om du väljer exakt rätt ytvinkel, mikroskopiskt små triangulära hål bildas där, med en diameter på bara ett fåtal atomer, " säger Markus Valtiner. "Väteatomer kan fästa där, kemiska processer äger rum som stöder spjälkning av vatten, men samtidigt stabilisera själva materialet”.

Forskargruppen har nu kunnat bevisa denna stabilisering för första gången:"Vid katalysatorytan, vatten delas upp i väte och syre. Medan denna process pågår, vi kan ta vätskeprover och undersöka om de innehåller spår av katalysatorn, " förklarar Markus Valtiner. "För att göra detta, vätskan måste först värmas upp kraftigt i en plasma och brytas ner till enskilda atomer. Sedan separerar vi dessa atomer i en masspektrometer och sorterar dem, element för element. Om katalysatorn är stabil, vi borde knappast hitta några atomer från katalysatormaterialet. Verkligen, vi kunde inte upptäcka någon nedbrytning av materialet vid atomtriangelstrukturerna när väte producerades." Denna stabiliserande effekt är förvånansvärt stark – nu arbetar teamet med att göra zinkoxid ännu effektivare och överföra den fysikaliska principen för denna stabilisering till andra material .

Unika forskningsmöjligheter för transformation av energisystem

Atomiska ytstrukturer har studerats vid TU Wien i många år. "På vårt institut, dessa triangulära strukturer har först demonstrerats och teoretiskt förklarats för flera år sedan, och nu är vi de första att visa deras betydelse för elektrokemi, ", säger Markus Valtiner. "Detta beror på att vi är i den unika situationen här att kunna kombinera alla nödvändiga forskningssteg under ett tak — från provberedning till simulering på superdatorer, från mikroskopi i ultrahögt vakuum till praktiska tester i realistiska miljöer."

"Detta samarbete mellan olika specialiteter under ett tak är unikt, och vår stora fördel att kunna vara en global ledare inom forskning och undervisning inom detta område, säger Carina Brunnhofer, student vid IAP.

"Under de kommande tio åren, vi kommer att utveckla stabila och kommersiellt gångbara system för vattenklyvning och CO ₂ reduktion baserad på metodutveckling och en grundläggande förståelse för ytkemi och fysik, " säger Dominik Dworschak, första författaren till den nyligen publicerade studien. "Dock, åtminstone en hållbar fördubbling av den nuvarande effektuttaget måste uppnås parallellt, ", konstaterar Markus Valtiner. "Vi är därför på en spännande väg, där vi bara kommer att uppnå våra klimatmål genom konsekventa, tvärsektoriell forskning och utveckling.