Ett nytt sätt att förankra enskilda iridiumatomer till ytan av en katalysator ökade dess effektivitet vid uppdelning av vattenmolekyler till rekordnivåer, forskare från Department of Energy SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University rapporterade idag.

Det var första gången detta tillvägagångssätt hade tillämpats på syreutvecklingsreaktionen, eller OER - del av en process som kallas elektrolys som använder elektricitet för att dela vatten till väte och syre. Om den drivs av förnybara energikällor, elektrolys kan producera bränslen och kemiska råvaror mer hållbart och minska användningen av fossila bränslen. Men den tröga takten i OER har varit en flaskhals för att förbättra effektiviteten så att den kan konkurrera på den öppna marknaden.

Resultaten av denna studie kan underlätta flaskhalsen och öppna nya vägar för att observera och förstå hur dessa enatomiga katalytiska centra fungerar under realistiska arbetsförhållanden, sa forskargruppen.

De publicerade sina resultat idag i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Industriella ryggrader

Katalysatorer är ryggraden i den kemiska industrin och lovar en hållbar energiframtid. Som matchmakers, de tar tag i molekyler från ett flöde av vätska eller gas och uppmuntrar dem att reagera med varandra, utan att bli förbrukade själva. För att maximera effektiviteten i denna process, katalysator -nanopartiklar sprids typiskt på ytan av ett poröst material som erbjuder största möjliga ytarea för att många reaktioner kan äga rum samtidigt.

Men bara atomerna på utsidan av en nanopartikel kan delta i katalys; de inre går till spillo. När katalysatorn är en dyrbar ädelmetall som iridium eller platina, även en liten mängd avfall är dyrt. Så forskare har arbetat med att använda individuella atomer av dessa ädelmetaller istället. Varje atom är ett katalytiskt reaktionscentrum. Deras lilla storlek betyder att många fler kan passa på ytan av en given stödstruktur. Detta ökar kraftigt mängden aktiv katalysator som exponeras för reaktanterna och antalet reaktioner som kan äga rum samtidigt, öka effektiviteten.

I den här studien, ett team under ledning av SLAC/Stanford professor Yi Cui och SLAC -personalvetare Michal Bajdich utvecklade ett nytt sätt att förankra enskilda iridiumatomer på en stödyta. Stanford postdoktorala forskare Xueli Zheng och Jing Tang genomförde experimentet, med hjälp av teoretisk simulering av röntgendata från SLAC-associerad personalvetare Alessandro Gallo som avslöjade vilken konfiguration som skulle vara den mest stabila och effektiva.

Atom-för-atom förankring

För att göra den nya katalysatorn, forskare gjorde först en porös struktur för att stödja iridiumatomerna som skulle katalysera reaktionen.

De exponerade denna skumliknande struktur för en lösning som innehåller iridiumföreningar, snabbt frös den för att skapa en tunn, iridiumrikt islager på ytan, och gjorde ytterligare bearbetning för att skapa välfördelade platser där enskilda iridiumatomer var tätt förankrade på den stödjande ytan.

Röntgenobservationer av katalysatorn vid arbetet avslöjade att iridiumatomerna var i ett kemiskt tillstånd som gör dem exceptionellt effektiva för att utföra den del av vattensplittande reaktionen som frigör syre.

Andra tester visade att denna förbättrade aktivitet helt och hållet berodde på att iridium var i form av singel, isolerade atomer, och inte bara till den stora yta på vilken de var inbäddade.

Den resulterande katalysatorn är bättre än de flesta av de iridiumbaserade katalysatorerna som hittills är kända, rapporterade forskarna. De sa att detta nya atomförankringssystem ger en idealisk modell för sondering och upprättande av kopplingen mellan katalysatorer och deras stödstrukturer för en mängd olika elektrokatalytiska reaktioner.