Elektrokemiska reaktioner som accelereras med hjälp av katalysatorer ligger i hjärtat av många processer för att tillverka och använda bränslen, kemikalier, och material – inklusive lagring av el från förnybara energikällor i kemiska bindningar, en viktig förmåga att koldioxidutlösa transportbränslen. Nu, forskning vid MIT kan öppna dörren till sätt att göra vissa katalysatorer mer aktiva, och därmed förbättra effektiviteten av sådana processer.

En ny produktionsprocess gav katalysatorer som ökade effektiviteten av de kemiska reaktionerna med fem gånger, potentiellt möjliggör användbara nya processer inom biokemi, organisk kemi, miljökemi, och elektrokemi. Fynden beskrivs idag i tidskriften Naturkatalys , i en tidning av Yang Shao-Horn, en MIT-professor i maskinteknik och materialvetenskap och teknik, och en medlem av Research Lab of Electronics (RLE); Tao Wang, en postdoc i RLE; Yirui Zhang, en doktorand vid institutionen för maskinteknik; och fem andra.

Processen innebär att man lägger till ett lager av vad som kallas en jonisk vätska mellan en guld- eller platinakatalysator och ett kemiskt råmaterial. Katalysatorer framställda med denna metod skulle potentiellt kunna möjliggöra mycket effektivare omvandling av vätebränsle till att driva enheter som bränsleceller, eller effektivare omvandling av koldioxid till bränslen.

"Det finns ett akut behov av att minska koldioxidutsläppen av hur vi driver transporter bortom lätta fordon, hur vi tillverkar bränslen, och hur vi tillverkar material och kemikalier, " säger Shao-Horn, betonar den pressande uppmaningen att minska koldioxidutsläppen som lyfts fram i den senaste IPCC-rapporten om klimatförändringar. Detta nya tillvägagångssätt för att förbättra katalytisk aktivitet kan ge ett viktigt steg i den riktningen, hon säger.

Att använda väte i elektrokemiska anordningar som bränsleceller är en lovande metod för att minska koldioxidutsläppen på områden som flyg och tunga fordon, och den nya processen kan bidra till att göra sådana användningar praktiska. För närvarande, syrereduktionsreaktionen som driver sådana bränsleceller begränsas av dess ineffektivitet. Tidigare försök att förbättra den effektiviteten har fokuserat på att välja olika katalysatormaterial eller modifiera deras ytsammansättningar och struktur.

I denna forskning, dock, istället för att modifiera de fasta ytorna, laget lade till ett tunt lager mellan katalysatorn och elektrolyten, det aktiva materialet som deltar i den kemiska reaktionen. Det joniska vätskeskiktet, de hittade, reglerar aktiviteten hos protoner som hjälper till att öka hastigheten för de kemiska reaktioner som äger rum på gränsytan.

Eftersom det finns ett stort utbud av sådana joniska vätskor att välja mellan, det är möjligt att "justera" protonaktivitet och reaktionshastigheter för att matcha den energi som behövs för processer som involverar protonöverföring, som kan användas för att tillverka bränslen och kemikalier genom reaktioner med syre.

"Protonaktiviteten och barriären för protonöverföring styrs av det joniska vätskeskiktet, och så det finns en stor inställbarhet när det gäller katalytisk aktivitet för reaktioner som involverar proton- och elektronöverföring, " säger Shao-Horn. Och effekten produceras av ett försvinnande tunt lager av vätskan, bara några nanometer tjock, över vilket finns ett mycket tjockare lager av vätskan som ska genomgå reaktionen.

"Jag tycker att det här konceptet är nytt och viktigt, säger Wang, tidningens första författare, "eftersom folk vet att protonaktiviteten är viktig i många elektrokemiska reaktioner, men det är väldigt utmanande att studera." Det beror på att i en vattenmiljö, det finns så många interaktioner mellan närliggande vattenmolekyler inblandade att det är mycket svårt att skilja ut vilka reaktioner som äger rum. Genom att använda en jonisk vätska, vars joner var och en bara kan bilda en enda bindning med mellanmaterialet, det blev möjligt att studera reaktionerna i detalj, med hjälp av infraröd spektroskopi.

Som ett resultat, Wang säger, "Vårt fynd belyser den avgörande roll som gränssnittselektrolyter, i synnerhet den intermolekylära vätebindningen, kan spela för att öka aktiviteten hos den elektrokatalytiska processen. Det ger också grundläggande insikter i protonöverföringsmekanismer på en kvantmekanisk nivå, som kan tänja på gränserna för att veta hur protoner och elektroner interagerar vid katalytiska gränssnitt."

"Arbetet är också spännande eftersom det ger människor en designprincip för hur de kan ställa in katalysatorerna, " säger Zhang. "Vi behöver några arter precis vid en "sweet spot" - inte för aktiv eller för inert - för att öka reaktionshastigheten."

Med några av dessa tekniker, säger Reshma Rao, en ny doktorsexamen från MIT och nu postdoc vid Imperial College, London, som också är medförfattare till tidningen, "vi ser upp till en femfaldig ökning av aktiviteten. Jag tror att den mest spännande delen av denna forskning är hur den öppnar upp en helt ny dimension i vårt sätt att tänka på katalys." Fältet hade träffat "en sorts vägspärr, " hon säger, att hitta sätt att designa bättre material. Genom att fokusera på vätskeskiktet snarare än på materialets yta, "det är ett helt annat sätt att se på det här problemet, och öppnar upp en helt ny dimension, en helt ny axel längs vilken vi kan förändra saker och optimera några av dessa reaktionshastigheter."