„Nasze podejście pozwoliło nam zbadać, jak rozkład wielkości w nanoskali ewoluuje w zależności od warunków pracy, oraz zidentyfikować dwa różne mechanizmy, które możemy następnie wykorzystać do kierowania naszymi wysiłkami w celu stabilizacji tych systemów i ochrony ich przed degradacją” – powiedział Walter Drisdell, pracownik naukowy w Wydziale Nauk Chemicznych Berkeley Lab i główny badacz w LiSA.
W przełomowym badaniu przeprowadzonym w Stanach Zjednoczonych naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i SLAC National Accelerator Laboratory ujawnili podstawowe mechanizmy, które ograniczają wydajność katalizatorów miedziowych. Katalizatory te są kluczowymi składnikami sztucznej fotosyntezy, procesu, który przekształca dwutlenek węgla i wodę w cenne paliwa i chemikalia.
Wyniki, opublikowane w Journal of the American Chemical Society, oferują bezprecedensowy wgląd w degradację katalizatorów, wyzwanie, które od dziesięcioleci spędza sen z powiek naukowcom.
Wykorzystując zaawansowane techniki rentgenowskie, zespół bezpośrednio obserwował, jak nanocząsteczki miedzi zmieniają się podczas procesu katalitycznego. Zastosowali technikę rozpraszania rentgenowskiego pod małymi kątami (SAXS), aby uzyskać wgląd w degradację katalizatora. Pozwoliło im to zidentyfikować i zaobserwować dwa konkurujące ze sobą mechanizmy, które doprowadzają nanocząsteczki miedzi na skraj degradacji w reakcji elektrochemicznej redukcji CO (CORR): migrację i koalescencję cząstek (PMC) oraz dojrzewanie Ostwalda.
Naukowcy odkryli, że proces PMC dominuje w pierwszych 12 minutach reakcji CORR, a następnie dojrzewanie Ostwalda. Niższe napięcia wyzwalają migrację i aglomerację procesu PMC, podczas gdy wyższe napięcia przyspieszają reakcje, zwiększając proces rozpuszczania i redepozycji dojrzewania Ostwalda.
Odkrycia te sugerują różne strategie łagodzenia skutków w celu ochrony katalizatorów. Obejmują one ulepszone materiały nośne w celu ograniczenia PMC lub strategie stopowe i powłoki fizyczne w celu spowolnienia rozpuszczania i zmniejszenia dojrzewania Ostwalda. Przyszłe badania skupią się na testowaniu różnych schematów ochrony i projektowaniu powłok katalitycznych w celu ukierunkowania reakcji CORR na produkcję określonych paliw i chemikaliów.