(Phys.org) —Vätgas är ett ”grönt” bränsle som brinner rent och kan generera el via bränsleceller. Ett sätt att på ett hållbart sätt producera väte är genom att dela vattenmolekyler med hjälp av solljusets förnybara kraft, men forskare lär sig fortfarande hur man kontrollerar och optimerar denna reaktion med katalysatorer. Vid National Synchrotron Light Source, en forskargrupp har fastställt viktig strukturell information om en potentiell katalysator, ta ett steg mot att designa ett idealiskt material för jobbet.

På grund av den mekaniska och elektriska komplexiteten hos vattensplittreaktionen, det finns många krav för att en katalysator ska fungera optimalt. Forskare måste förstå inte bara en kandidats lokala molekylära struktur utan också dess struktur över längre intervall - särskilt nanoskala, som tenderar att vara en bra indikator på ett materials elektroniska beteende och därför dess övergripande katalytiska aktivitet.

Forskare fokuserar alltmer på en viss grupp av katalysatorer:koboltbaserade tunna filmer. Dessa filmer skapas via elektrolytisk utfällning från vattenhaltiga lösningar av kobolt blandad med en elektrolyt. I den här studien, forskare från Columbia University, Harvard Universitet, och Brookhaven Lab använde röntgenstrålar för att bättre förstå strukturen i en av dessa filmer i nanoskala mellan intervallet. De undersökte också de strukturella skillnaderna mellan filmer odlade med två elektrolyter:fosfat, en negativ fosfor-syrejon, och borat, negativ en bor-syrejon. De resulterande filmerna betecknas CoPi och CoBi, respektive.

röntgenspridningsdata från CoPi- och CoBi-proverna, taget vid NSLS beamline X7B, indikerar att båda är nanokristallina. Det betyder att de består av korn i nanoskala, var och en varierar från cirka 1,5 till 3 nanometer (nm) i storlek med en ordnad molekylstruktur. Bortsett från detta, det finns tydliga och viktiga skillnader.

CoBi-filmerna består av 3-4 nm kobalat (kobolt–syre) kluster som staplas snyggt upp till tre lager djupt. CoPi-filmerna består av betydligt mindre kluster som inte staplas på ett ordnat sätt.

Dessa strukturella skillnader verkar knytas till filmernas katalytiska aktivitet. Elektrokemiska data visar att när filmtjockleken ökade, CoBi -filmerna var mer aktiva än CoPi och visade slutligen en "betydligt överlägsen" prestanda. Dessa fynd tyder på att ökningen av CoBi-filmtjocklek också ökar den effektiva ytarean som är tillgänglig för katalys, samtidigt som filmernas laddningstransportegenskaper bevaras.

"Våra resultat visar en konkret skillnad mellan CoBi och CoPi, vilket möjliggör den första insikten i en påtaglig struktur-funktion korrelation, " sa Harvard-kemist och professor Daniel Nocera.

Gruppen planerar ytterligare studier för att utforska några relaterade frågor, såsom arten av laddningstransport mellan CoBi-lagren och filmernas beteende över intervall som är längre än nanoskalan.