«Наш подход позволил нам изучить, как распределение наноразмеров развивается в зависимости от условий эксплуатации, и выявить два различных механизма, которые мы можем затем использовать для направления наших усилий по стабилизации этих систем и защите их от деградации», — сказал Уолтер Дрисделл, научный сотрудник Отдела химических наук Berkeley Lab и главный исследователь LiSA.
В новаторском исследовании, проведенном в Соединенных Штатах, исследователи из Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Национальной ускорительной лаборатории SLAC раскрыли фундаментальные механизмы, ограничивающие производительность медных катализаторов. Эти катализаторы являются важнейшими компонентами искусственного фотосинтеза, процесса, который преобразует углекислый газ и воду в ценное топливо и химические вещества.
Результаты, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, предлагают беспрецедентное понимание деградации катализаторов, проблемы, которая десятилетиями озадачивала ученых.
Используя сложные рентгеновские методы, команда непосредственно наблюдала, как изменяются наночастицы меди во время каталитического процесса. Они применили малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS), чтобы получить представление о деградации катализатора. Это позволило им идентифицировать и наблюдать два конкурирующих механизма, которые доводят наночастицы меди до грани деградации в катализаторе электрохимической реакции восстановления CO (CORR): миграция и коалесценция частиц (PMC) и созревание Оствальда.
Исследователи обнаружили, что процесс PMC доминирует в первые 12 минут реакции CORR, за которым следует созревание Оствальда. Более низкие напряжения вызывают миграцию и агломерацию процесса PMC, в то время как более высокие напряжения ускоряют реакции, увеличивая процесс растворения и повторного осаждения созревания Оствальда.
Эти открытия предлагают различные стратегии смягчения последствий для защиты катализаторов. К ним относятся улучшенные опорные материалы для ограничения PMC или стратегии легирования и физические покрытия для замедления растворения и уменьшения созревания Оствальда. Будущие исследования будут сосредоточены на тестировании различных схем защиты и разработке каталитических покрытий для направления реакций CORR на производство конкретного топлива и химических веществ.