Atomomarrangemang förändrar ett materials fysikaliska och kemiska egenskaper, vilket kan leda till potentiella tillämpningar över discipliner, inklusive inom hållbar energi. Med två decennier av fokuserad uppmärksamhet på hur reglering av sådana omarrangemang – en process som kallas fasteknik – kan möjliggöra hållbara energiomvandlingsprocesser, har forskare i Kina sammanfattat arbetet hittills, inklusive hur området kan utvecklas.

De publicerade sin recension den 11 juli i Nano Research , med särskilt fokus på elektrokatalysatorer. Dessa material utlöser, förbättrar eller löser de kemiska och elektriska reaktioner som är involverade i att omvandla energi till lagringsbara eller användbara format. De fungerar ofta som en elektrod eller som en elektrodkomponent.

"Fasteknik är en viktig strategi för att designa effektiva elektrokatalysatorer mot dessa energiomvandlingar, eftersom det gör det möjligt för alla katalytiskt aktiva atomer att omarrangera och bilda nya gitter", säger medkorrespondent författare Xiaoxin Zou, professor, State Key Laboratory of Inorganic Synthesis and Preparative Chemistry , College of Chemistry, Jilin University. "Detta ger stora möjligheter att rationellt manipulera atomer för att upptäcka attraktiva strukturella ramverk och för att uppnå bättre elektrokatalys. Och medan flera forskare på senare år har sammanfattat beredningen av nanomaterial med nya arrangemang, är detta den första systematiska översikten mot att rationalisera hur dessa faser påverka elektrokatalytisk aktivitet."

Dessa olika atomarrangemang är kända som kristallfaser. Genom att ändra hur atomerna är ordnade på ytan av ett fast material, eller i dess bulk, kan drastiskt förändra vad materialet kan göra. Zou noterade dock att ytan i huvudsak är en förlängning av bulken och inte kan existera oberoende, så deras anslutning är nyckeln till att utveckla önskvärda och stabila elektrokatalysatorer.

"Den underliggande logiken i fasteknik ligger i ett intimt förhållande mellan egenskaperna hos ytan och huvuddelen av en katalysator," sa Zou. "Att konstruera bulkfasen av en katalysator, som direkt påverkar ytan, är en kraftfull strategi för att designa smarta katalysatorer både internt och externt."

Bulkens kristallstruktur bestämmer materialets elektroniska struktur, dess ledningsförmåga och till stor del ytskiktets sammansättning. Olika bulkkristallstrukturer har olika egenskaper och ytenergier, vilket leder till olika morfologi och katalytiskt aktiva platser. Till och med för katalysatorer som upplever betydande ytskador eller rekonstruktion under katalysprocessen, sa Zou, att bulkens initiala kristallstruktur starkt påverkar rekonstitutionen och ytans slutliga struktur.

Under de senaste 20 åren har flera forskare undersökt detta förhållande, utforskat okonventionella elektrokatalytiska faser och hur man kan framkalla sådana transformationer. Driven av efterfrågan på hållbara energiomvandlingsprocesser, såsom kvävefixering och koldioxidreduktion, avancerade forskare karakteriseringstekniker, såväl som teorin bakom experimentellt arbete.

"Dessa saker gjorde det möjligt att exakt och exakt förstå effekterna av kristallfaser på elektrokatalytisk prestanda," sa Zou. "Så det är dags att sammanfatta fasteknikrelaterad forskning som hjälper till att reda ut fas-prestandaförhållanden och förfina förutsägelser i elektrokatalysstudier."

Därefter rekommenderar Zou och hans team att forskare ägnar sig åt fyra huvudområden för att ytterligare utveckla kristallfasteknik för katalysforskning.

"För att utveckla kompetenta katalysatorer för olika energiomvandlingsprocesser från ett fasfokus, föreslår vi att man utforskar förhållandet mellan kristallfasen och katalytiska aktivitetsnivåer; kombinerar fasteknik med andra designstrategier; reder ut mekanismerna för bildning och utveckling av okonventionella faser; och berikar katalytiska faser. forskning av fler flytande faser," sa Zou. + Utforska vidare

Utforska hur ytor förändras i kontakt med reaktiva gasfaser under olika förhållanden