Iridiumoxidkatalysatorer är effektiva för vattenoxidation vilket gör dem mycket attraktiva för grön teknik. Ett team med forskare från SANKEN (The Institute of Scientific and Industrial Research) vid Osaka University har därför tittat närmare på hur de fungerar.
I en studie publicerad i Journal of the American Chemical Society teamet använde spektroskopi för att avslöja hur de kemiska arterna som är involverade i iridiumoxid-katalyserad syreutvecklingsreaktion (OER) interagerar med lösningen runt dem.
OER är viktigt i många rena energiprocesser som att omvandla koldioxid till användbara flytande bränslen och generera grönt väte från elektrolys av vatten. Båda processerna kommer att vara avgörande i en framtid utan fossila bränslen. Därför är en grundlig förståelse av OER ett viktigt forskningsfokus.
Katalytiska processer kan vara komplexa med olika mellanslag involverade i att komma från utgångsmaterialet till den önskade produkten. Operando-tekniker gör att dessa intermediärer kan undersökas med hjälp av spektroskopi under reaktionen, vilket ger ett fönster till vad som faktiskt händer.
Med hjälp av en elektrod med en iridiumoxidyta undersökte forskarna oxidationen av vattenmolekyler i lösningar med olika pH-värden.
"Interaktion mellan elektrodytan och de syresatta intermediärerna är nyckeln till effektiviteten hos OER, så optimering av katalysatormaterialet har i allmänhet varit i fokus", förklarar seniorförfattaren Reshma R. Rao från Imperial College London.
"Men observationerna hittills har lämnat obesvarade frågor, så vi har tittat närmare på lösningssidan av gränssnittet med hjälp av operando UV-Vis spektroskopi, röntgenabsorptionsspektroskopi och ytförstärkt infraröd spektroskopi."
För att uppnå effektiv reaktion måste bindningen av reaktionsintermediärer till elektroden vara precis så att intermediärerna kan interagera med elektroden, men inte vara så stark att de fastnar på elektroden och inte kan reagera. Forskarna fann att bindningen kontrollerades av långväga interaktioner mellan mellanprodukterna genom lösningen och detta berodde på pH.
Under alkaliska förhållanden påverkade vatten nära elektroden de långväga interaktionerna mellan de syresatta arterna, vilket påverkade deras bindning till ytan. Så även om intermediärerna binder starkare vid högre pH, destabiliserar interaktionerna som underlättas av gränssnittsvatten de syresatta arterna och tillåter reaktionen att äga rum.
"Att använda operandospektroskopi och kompletterande tekniker för att få en direkt titt på de inblandade arterna har gjort det möjligt för oss att bredda förståelsen av katalysatorprestanda bortom elektrodbindning", säger seniorförfattaren Yu Katayama. "Vi tror att sådan insikt kommer att vara nyckeln till att optimera OER-kinetiken."
Fynden kommer att bidra till att öka effektiviteten av vattenoxidation för produktion av grönt väte. Att kombinera operandospektroskopi med komplementära tekniker kan dessutom vara användbart för att förstå katalysen av många andra processer.
Mer information: Caiwu Liang et al, Role of Electrolyte pH on Water Oxidation for Iridium Oxides, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12011
Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society
Tillhandahålls av Osaka University
