"Nuestro enfoque nos permitió explorar cómo evoluciona la distribución del tamaño a nanoescala en función de las condiciones de operación, e identificar dos mecanismos diferentes que podemos usar para guiar nuestros esfuerzos para estabilizar estos sistemas y protegerlos de la degradación", dijo Walter Drisdell, científico del personal en la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley e investigador principal de LiSA.
En un estudio innovador realizado en los Estados Unidos, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC han revelado los mecanismos fundamentales que limitan el rendimiento de los catalizadores de cobre. Estos catalizadores son componentes cruciales en la fotosíntesis artificial, un proceso que transforma el dióxido de carbono y el agua en combustibles y productos químicos valiosos.
Los hallazgos, publicados en el Journal of the American Chemical Society, ofrecen información sin precedentes sobre la degradación del catalizador, un desafío que ha desconcertado a los científicos durante décadas.
Utilizando sofisticadas técnicas de rayos X, el equipo observó directamente cómo cambian las nanopartículas de cobre durante el proceso catalítico. Aplicaron la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) para obtener información sobre la degradación del catalizador. Esto les permitió identificar y observar dos mecanismos competitivos que llevan a las nanopartículas de cobre al borde de la degradación en un catalizador de reacción de reducción electroquímica de CO (CORR): la migración y coalescencia de partículas (PMC) y la maduración de Ostwald.
Los investigadores encontraron que el proceso PMC domina en los primeros 12 minutos de la reacción CORR, seguido de la maduración de Ostwald. Los voltajes más bajos desencadenan la migración y la aglomeración del proceso PMC, mientras que los voltajes más grandes aceleran las reacciones, aumentando la disolución y el proceso de redeposición de la maduración de Ostwald.
Estos descubrimientos sugieren varias estrategias de mitigación para proteger los catalizadores. Estos incluyen materiales de soporte mejorados para limitar el PMC, o estrategias de aleación y recubrimientos físicos para ralentizar la disolución y reducir la maduración de Ostwald. Los estudios futuros se centrarán en probar diferentes esquemas de protección y diseñar recubrimientos catalíticos para dirigir las reacciones CORR a la producción de combustibles y productos químicos específicos.