"Onze aanpak stelde ons in staat om te onderzoeken hoe de nanoscopische grootteverdeling evolueert als functie van de bedrijfsomstandigheden, en om twee verschillende mechanismen te identificeren die we vervolgens kunnen gebruiken om onze inspanningen te sturen om deze systemen te stabiliseren en ze te beschermen tegen degradatie", aldus Walter Drisdell, stafwetenschapper bij de Chemical Sciences Division van Berkeley Lab en hoofdonderzoeker bij LiSA.
In een baanbrekende studie uitgevoerd in de Verenigde Staten hebben onderzoekers van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en SLAC National Accelerator Laboratory de fundamentele mechanismen onthuld die de prestaties van koperkatalysatoren beperken. Deze katalysatoren zijn cruciale componenten in kunstmatige fotosynthese, een proces dat koolstofdioxide en water omzet in waardevolle brandstoffen en chemicaliën.
De bevindingen, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society, bieden ongekende inzichten in katalysatordegradatie, een uitdaging die wetenschappers al decennia bezighoudt.
Met behulp van geavanceerde röntgentechnieken observeerde het team rechtstreeks hoe koperen nanodeeltjes veranderen tijdens het katalytische proces. Ze pasten röntgenverstrooiing onder kleine hoeken (SAXS) toe om inzicht te krijgen in katalysatordegradatie. Hierdoor konden ze twee concurrerende mechanismen identificeren en observeren die koperen nanodeeltjes op de rand van degradatie brengen in een CO elektrochemische reductiereactie (CORR) katalysator: deeltjesmigratie en coalescentie (PMC), en Ostwald-rijping.
De onderzoekers ontdekten dat het PMC-proces domineert in de eerste 12 minuten van de CORR-reactie, gevolgd door Ostwald-rijping. Lagere spanningen activeren de migratie en agglomeratie van het PMC-proces, terwijl hogere spanningen reacties versnellen, waardoor het oplossings- en herdepositieproces van Ostwald-rijping toeneemt.
Deze ontdekkingen suggereren verschillende mitigatiestrategieën om katalysatoren te beschermen. Deze omvatten verbeterde dragermaterialen om PMC te beperken, of legeringsstrategieën en fysieke coatings om de oplossing te vertragen en Ostwald-rijping te verminderen. Toekomstige studies zullen zich richten op het testen van verschillende beschermingsschema's en het ontwerpen van katalytische coatings om CORR-reacties te sturen naar de productie van specifieke brandstoffen en chemicaliën.