En illustration kombinerar två möjliga typer av ytskikt för en katalysator som utför vattensönderdelningsreaktionen, det första steget i att göra vätgasbränsle. Den grå ytan, topp, är lantanoxid. Den färgglada ytan är nickeloxid; en omordning av dess atomer medan reaktionen utfördes gjorde den dubbelt så effektiv, ett fenomen som forskare hoppas kunna utnyttja för att designa bättre katalysatorer. Lantanatomer är avbildade i grönt, nickel i blått och syre i rött. Kredit:CUBE3D Graphic
Forskare som tillverkade en nickelbaserad katalysator som används för att göra vätebränsle byggde den ett atomlager i taget för att få full kontroll över dess kemiska egenskaper. Men det färdiga materialet betedde sig inte som de förväntade sig:När en version av katalysatorn gick till väga, det översta lagret av atomer omarrangeras för att bilda ett nytt mönster, som om de fyrkantiga plattorna som täcker ett golv plötsligt hade ändrats till hexagoner.
Men det är okej, de rapporterade idag, för att förstå och kontrollera denna överraskande transformation ger dem ett nytt sätt att slå på och av katalytisk aktivitet och göra bra katalysatorer ännu bättre.
Forskargruppen, ledd av forskare från Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, beskrev sin studie i Naturmaterial i dag.
"Katalysatorer kan förändras mycket snabbt under reaktionens gång, och att förstå hur de förvandlas från en inaktiv fas till en aktiv fas är avgörande för att designa mer effektiva katalysatorer, sade Will Chueh, en utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid SLAC som ledde studien. "Denna förvandling ger oss motsvarande en ratt vi kan vrida på för att finjustera deras beteende."
Dela vatten för att göra vätebränsle
Katalysatorer hjälper molekyler att reagera utan att förbrukas i reaktionen, så att de kan användas om och om igen. De är ryggraden i många gröna energienheter.
Denna speciella katalysator, lantannickeloxid eller LNO, används för att dela vatten till väte och syre i en reaktion som drivs av elektricitet. Det är det första steget i att generera vätebränsle, som har en enorm potential för att lagra förnybar energi från solljus och andra källor i en flytande form som är energirik och lätt att transportera. Faktiskt, flera tillverkare har redan tillverkat elbilar som drivs av vätgasbränsleceller.
Men detta första steg är också det svåraste, sa Michal Bajdich, en teoretiker vid SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis vid SLAC, och forskare har letat efter billiga material som kommer att utföra det mer effektivt.
Eftersom reaktioner äger rum på en katalysators yta, forskare har försökt att exakt konstruera dessa ytor så att de bara främjar en specifik kemisk reaktion med hög effektivitet.
En ny studie visar hur justering av ytskiktet på en katalysator kan få den att fungera bättre. Denna speciella katalysator används för att dela vatten, det första steget i att göra vätgasbränsle. Den består av omväxlande lager av material rika på nickel (blå sfärer) och lantan (gröna sfärer; de röda sfärerna representerar syreatomer). När materialet odlas vid relativt kalla temperaturer så att ett nickelrikt lager är ovanpå (vänster), atomerna på det ytskiktet arrangeras om under vattenuppdelningsreaktionen (mitten) på ett sätt som gör att de kan utföra reaktionen mer effektivt (höger). Detta överraskande resultat ger forskare ett nytt sätt att justera katalytisk aktivitet och konstruera bättre katalysatorer. Kredit:Tomas Duchon/Forschungszentrum Juelich
Byggmaterial ett atomlager i taget
LNO som undersökts i denna studie tillhör en klass av lovande katalytiska material som kallas perovskiter, uppkallad efter ett naturligt mineral med liknande atomstruktur.
Christoph Baeumer, som kom till SLAC som Marie Curie Fellow från Aachen University i Tyskland för att genomföra studien, beredd LNO i vad som kallas en epitaxiell tunn film – en film som odlas i atomärt tunna lager på ett sätt som skapar ett utomordentligt exakt arrangemang av atomer.
Dela sin tid mellan Kalifornien och Tyskland, Baeumer gjorde två versioner av filmen vid olika temperaturer - en med en nickelrik yta och en annan med en lantanrik yta. Sedan körde forskargruppen alla versioner genom vattenklyvningsreaktionen för att jämföra hur bra de presterade.
"Vi blev förvånade när vi upptäckte att filmerna med nickelrika ytor genomförde reaktionen dubbelt så snabbt, sa Baeumer.
Justera en katalysators yta för bättre prestanda
För att ta reda på varför, teamet tog med sig filmerna till DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory, där en grupp ledd av Slavomir Nemsak tittade på sin atomstruktur med röntgenstrålar vid den avancerade ljuskällan.
"Det var förvånande att skillnaden mellan den "bra" och den "dåliga" katalysatorn bara fanns i det sista atomskiktet av filmerna, " sade Nemsak. Dessa undersökningar avslöjade också att i filmer med nickelrika ytskikt som preparerades vid kallare temperaturer, det översta lagret av atomer som transformerades någon gång under vattenuppdelningsreaktionen, och detta nya arrangemang ökade den katalytiska aktiviteten.
Under tiden, Jiang Li, en postdoktor och teoretiker vid SUNCAT, utförde beräkningsstudier av detta mycket komplexa system med hjälp av Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Hans slutsatser stämde överens med experimentresultaten, förutsäga att versionen av katalysatorn med den transformerade ytan - från ett kubiskt mönster till ett sexkantigt - skulle vara den mest aktiva och stabila.
Bajdich sa, "Är omvandlingen av den nickelrika ytan driven av sättet som katalysatorn framställs, eller genom förändringar den genomgår medan den utför vattenklyvningsreaktionen? Det är väldigt svårt att svara på. Det verkar som att båda måste inträffa."
Även om denna speciella katalysator inte är den bästa i världen för att dela vatten till väte och syre, han sa, att upptäcka hur en yttransformation ökar dess aktivitet är viktigt och kan potentiellt gälla även för andra material.
"Om vi kan låsa upp hemligheterna bakom denna transformation så att vi kan justera den korrekt, " han sa, "då kan vi utnyttja detta fenomen för att göra mycket bättre katalysatorer i framtiden."
