I regel, de flesta katalysatormaterial försämras under upprepade katalytiska cykler - de åldras. Men det finns också föreningar som ökar deras prestanda under katalysförloppet. Ett exempel är mineralet erytrit, en mineralförening bestående av kobolt- och arsenikoxider med molekylformeln (Co ₃ (AsO ₄ ) ² ∙8H ₂ O). Mineralet sticker ut på grund av sin lila färg. Erytrit lämpar sig för att accelerera syrebildningen vid anoden under elektrolytisk uppdelning av vatten till väte och syre.

Prover från Costa Rica

Den unga forskargruppen som leds av Dr Marcel Risch vid HZB tillsammans med grupper från Costa Rica har nu analyserat dessa katalyserande mineralmaterial i detalj vid BESSY II och gjort en intressant upptäckt.

Med hjälp av prover producerade av kollegor i Costa Rica bestående av små erytritkristaller i pulverform, Javier Villalobos, en doktorand i Rischs grupp vid HZB, belagt elektroderna med detta pulver. Han undersökte dem sedan innan, under, och efter hundratals elektrolyscykler i fyra olika pH-neutrala elektrolyter, inklusive vanligt sodavatten (kolsyrat vatten).

Förlust av originalstruktur

Över tid, ytan av varje katalytiskt aktivt skikt uppvisade tydliga förändringar i alla elektrolyter. Den ursprungliga kristallina strukturen gick förlorad, som visas av bilder från svepelektronmikroskopet, och fler koboltjoner ändrade sitt oxidationstal på grund av den pålagda spänningen, som bestämdes elektrokemiskt. Ökat syreutbyte visades också över tiden i sodavatten (kolsyrat vatten), dock bara i den elektrolyten. Katalysatorn förbättrades klart.

Observationer vid BESSY II

Med analyser på BESSY II, forskarna kan nu förklara varför detta var fallet:med hjälp av röntgenabsorptionsspektroskopi, de skannade den atomära och kemiska miljön runt koboltjonerna. De mer aktiva proverna förlorade sin ursprungliga erytritkristallstruktur och omvandlades till en mindre ordnad struktur som kan beskrivas som blodplättar bara två atomer tjocka. Ju större dessa blodplättar blev, desto mer aktivt var provet. Data under loppet av katalyscyklerna visade att oxidationstalet för kobolten i dessa blodplättar ökade mest i sodavatten, från 2,0 till 2,8. Eftersom oxider med ett oxidationstal på 3 är kända för att vara mycket bra katalysatorer, detta förklarar förbättringen i förhållande till de katalysatorer som bildades i de andra elektrolyterna.

Syreutbytet fördubblades

I sodavatten, syreutbytet per koboltjon minskade med en faktor 28 under 800 cykler, men samtidigt ändrade 56 gånger så många koboltatomer sitt oxidationstal elektrokemiskt. Makroskopiskt, den elektriska strömgenereringen och därmed elektrodens syreutbyte fördubblades.

Från nålar till schweizerost

I ett nötskal, Risch förklarar:"Med tiden, materialet blir som schweizerost med många hål och en större yta där många fler reaktioner kan ske. Även om de individuella katalytiskt aktiva centran blir något svagare med tiden, den större ytan innebär att många fler potentiella katalytiskt aktiva centra kommer i kontakt med elektrolyten och ökar utbytet."

Risch föreslår att sådana mekanismer också kan hittas i många andra klasser av material som består av giftfria föreningar, som kan utvecklas till lämpliga katalysatorer.

Studien publicerades i Avancerade energimaterial .