Ädelmetallfria nanopartiklar kan fungera som kraftfulla katalysatorer i framtiden, till exempel för väteproduktion. För att optimera dem, forskare måste kunna analysera egenskaperna hos enskilda partiklar. En ny metod för detta har föreslagits av ett team från Centre for Electrochemistry vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) och Institutet för oorganisk kemi vid universitetet i Duisburg-Essen (UDE).

Gruppen utvecklade en metod med hjälp av en robotarm som låter dem välja enskilda partiklar under ett elektronmikroskop och placera dem på en nanoelektrod för elektrokemisk analys. Metoden beskrivs i tidskriften Angewandte Chemie , publiceras online i förväg 19 november 2020.

Använda en robotarm för att deponera nanopartiklar på elektroden

För studierna, forskarna använde hexagonformade partiklar av koboltoxid med diametrar på 180 till 300 nanometer, som Duisburg-Essen-teamet bestående av professor Stephan Schulz och Sascha Saddeler hade syntetiserat. I experimentet, partiklarna katalyserade den så kallade syreutvecklingsreaktionen. Under elektrolys av vatten, väte och syre bildas, varvid det begränsande steget i denna process för närvarande är den partiella reaktionen i vilken syret bildas. Effektivare katalysatorer för syreutvecklingsreaktionen skulle förenkla effektiviteten för elektrokemisk vattenuppdelning under bildning av väte. Nanopartikelkatalysatorer är tänkta att hjälpa till med detta. Eftersom deras katalytiska aktivitet ofta beror på deras storlek eller form, det är viktigt att förstå egenskaperna hos enskilda partiklar för att hitta de optimala katalysatorerna.

Bochum-teamet bestående av Thomas Quast, Dr Harshitha Barike Aiyappa, Dr Patrick Wilde, Dr Yen-Ting Chen och professor Wolfgang Schuhmann analyserade först utvalda koboltoxidpartiklar mikroskopiskt, sedan elektrokemiskt. "Med hjälp av en rörlig robotarm, vi kan plocka ut individuella nanopartiklar under elektronmikroskopet, Schuhmann förklarar. "Den valda partikeln, som vi då redan mikroskopiskt vet, vi placerar på en liten elektrod för att testa vad den kan göra som en katalysator." Forskarna använder sedan elektrokemiska metoder för att mäta dess katalytiska aktivitet för syreutvecklingsreaktionen.

Hög katalytisk aktivitet

På det här sättet, kemisterna analyserade flera enskilda partiklar. Eftersom de visste storleken och kristallorienteringen av en partikel, de kunde relatera den katalytiska aktiviteten till antalet koboltatomer. "Här, partiklarna visade anmärkningsvärt höga aktiviteter i syreutvecklingsreaktionen, och de uppmätta strömtätheterna översteg kommersiellt tillgängliga alkaliska elektrolysatorer med mer än 20 gånger, säger Stephan Schulz.

"Vi tror att genom att tillämpa den föreslagna metoden, singelpartikelanalys av katalysatormaterial har äntligen nått punkten för tillförlitlig och jämförelsevis enkel provberedning och karakterisering, som är avgörande för att etablera struktur-funktionsrelationer, " skriver författarna avslutningsvis.