Fig. 1:OER-aktivitet för Co2 FeO4 och CoFe2 O4 nanopartiklar. a, b Linjär svepvoltammetri (LSV)-kurvor registrerade med en skanningshastighet på 10 mV/s i 1,0 M KOH på glasartade kolelektroder avsatta med Co2 FeO4 och CoFe2 O4 nanopartiklar i orörda tillstånd och efter 100, 500 och 1000 cykler av mätningar av cyklisk voltammetri (CV), c, d CV för Co2 FeO4 och CoFe2 O4 efter en, 100, 500 och 1000 cykler registrerade med en skanningshastighet på 50 mV/s i 1,0 M KOH under OER-förhållanden, e, f Tafel-sluttningar av Co2 FeO4 och CoFe2 O4 i den orörda och efter 100, 500 och 1000 cykler, härledd från LSV-kurvorna i a, b. Källdata tillhandahålls som en källdatafil. Felstaplarna för Tafel-sluttningarna i e, f mättes genom linjär kurvanpassning. Kredit:DOI:10.1038/s41467-021-27788-2
Forskare från Ruhr-Universität Bochum, University of Duisburg-Essen och Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion i Mülheim an der Ruhr samarbetade i projektet som en del av Collaborative Research Center "Heterogen oxidationskatalys i vätskefasen."
På RUB arbetade ett team under ledning av Weikai Xiang och professor Tong Li från Atomic-scale Characterization tillsammans med ordföranden för elektrokemi och nanoskala material och ordföranden för industriell kemi. Institut i Shanghai, Kina och Didcot, Storbritannien, var också involverade. Teamet presenterar sina resultat i tidskriften Nature Communications , publicerad online den 10 januari 2022.
Partiklar observerade under katalysprocessen
Forskarna studerade två olika typer av nanopartiklar gjorda av koboltjärnoxid som var runt tio nanometer. De analyserade partiklarna under katalysen av den så kallade syreutvecklingsreaktionen. Detta är en halvreaktion som inträffar under vattenklyvning för väteproduktion:väte kan erhållas genom att klyva vatten med hjälp av elektrisk energi; väte och syre produceras i processen. Flaskhalsen i utvecklingen av effektivare produktionsprocesser är den partiella reaktionen där syre bildas, det vill säga syreutvecklingsreaktionen. Denna reaktion förändrar katalysatorytan som blir inaktiv med tiden. De strukturella och sammansättningsmässiga förändringarna på ytan spelar en avgörande roll för elektrokatalysatorernas aktivitet och stabilitet.
För små nanopartiklar med en storlek runt tio nanometer är det fortfarande en utmaning att få detaljerad information om vad som händer på katalysatorytan under reaktionen. Med hjälp av atomsondtomografi visualiserade gruppen framgångsrikt fördelningen av de olika typerna av atomer i koboltjärnoxidkatalysatorerna i tre dimensioner. Genom att kombinera det med andra metoder visade de hur strukturen och sammansättningen av ytan förändrades under katalysprocessen – och hur denna förändring påverkade den katalytiska prestandan.
"Atomsondstomografi har enorm potential att ge atomära insikter i sammansättningsförändringarna på ytan av katalysatornanopartiklar under viktiga katalytiska reaktioner som syreutvecklingsreaktion för väteproduktion eller CO2 minskning", avslutar Tong Li. + Utforska vidare
