Yeni araştırmalar, bakır katalizörlerin performansını sınırlayan temel mekanizmaları ortaya çıkardı – karbondioksit ve suyu değerli yakıtlara ve kimyasallara dönüştüren yapay fotosentezdeki kritik bileşenler.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı (Berkeley Lab) ve SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki bilim adamları tarafından yönetilen bir çalışmada, araştırmacılar, bakır nanoparçacıkların katalitik süreç sırasında nasıl değiştiğini doğrudan gözlemlemek için sofistike röntgen teknikleri kullandılar.
Ekip, bu katalizör sistemine geleneksel olarak kullanılan bir teknik olan küçük açılı X-ışını saçılımı (SAXS) uygulayarak, bilim insanlarını onlarca yıldır şaşırtan katalizör bozulmasına benzeri görülmemiş bilgiler kazandı.
Çalışma Sıvı Güneş Işığı İttifakı (LISA) DOE Energy Innovation Hub’ın bir parçası. Caltech liderliğindeki Berkeley Lab ile yakın ortaklaşa Lisa, SLAC ve Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı Ulusal Laboratuvar Ortaklarından 100’den fazla bilim insanını ve UC Irvine, UC San Diego ve Oregon Üniversitesi’ndeki üniversite ortaklarını bir araya getiriyor.
2020 yılında başlatılan bu çok kurumsal işbirliği, güneş ışığı, su, karbon dioksit ve azottan sıvı yakıtlar üretmek için gereken bilimsel ilkeleri geliştirmektedir.
CO2 Elektrokimyasal indirgeme reaksiyonu (CO2RR) süreci, bilim adamlarını onlarca yıldır yakıt ve diğer önemli bileşikler yapmanın umut verici bir yolu olarak ilgilendirmiştir. 1980’lerde büyük bir atılım, bakırın dönüştürülmesi için yüksek performanslı bir katalizör olarak tanımladı.2 ve etilen ve etanol gibi sıvı yakıtlar ve kimyasallar için başlangıç bileşenlerine su.
Sonraki çalışmalar, bakırın elektrokatalizin gerçekleştiği aktif bölgeler içerdiğini gösterdi: Bakır yüzeyinden gelen elektronlar, onları plastikler için etanol yakıtı ve etilen gibi ürünlere dönüştüren bir adımda karbondioksit ve su ile etkileşime girdi. Araştırmacılar, etanol, etilen ve propanol dahil olmak üzere belirli kimyasalları seçici olarak üretmek için bu aktif bölgeleri ayarlamanın yollarını araştırıyorlar.
Ancak COPER’in süper katalitik özellikleri CO sırasında hızla bozulur2RR, zamanla performansını azalttı. Yıllar boyunca araştırmacılar bu performans kaybını önlemenin yollarını aradılar, ancak bu bozulmayı kontrol eden kimyasal ve fiziksel süreçler belirsizdi.
Berkeley laboratuvarı ve SLAC araştırmacıları çalışmasıyla – son zamanlarda yayınlandı Amerikan Kimya Derneği Dergisi– Araştırmacıların bakır nanopartikülleri bir CO’daki bozulmanın eşiğine yönlendiren iki rakip mekanizmayı tanımlamasına ve gözlemlemesine izin veren yenilikçi bir saçılma ve görüntüleme tekniklerinin yenilikçi bir uygulaması sayesinde daha az gizemli olan bu süreçler.2RR katalizörü: daha küçük parçacıkların daha büyük olanlarla birleştiği parçacık göçü ve birleşmesi (PMC) ve daha büyük parçacıkların daha küçük parçacıklar pahasına büyüdüğü Ostwald olgunlaşması.
Berkeley Laboratuarının kimyasal Sciences ve Muayenehanesi ile aynı zamanda bir bilim adamı olan gazetede ortak bir yazarı olan Walter Drisdell, “Yaklaşımımız nano ölçekli boyut dağılımının çalışma koşullarının bir işçisi olarak nasıl geliştiğini keşfetmemize ve daha sonra bu sistemleri stabilize etme ve onları bozulmadan koruma çabalarımıza rehberlik etmek için kullanabileceğimiz iki farklı mekanizmayı tanımlamamıza izin verdi.” Dedi.
Bu çalışmada, araştırmacılar, SLAC’da Stanford Senkrotron Radyasyon Işık Kaynaması’nda (SSRL) küçük açılı X-ışını Saçma (SAXS) adı verilen bir teknik kullandılar.
CO’yu çalıştırırken2RR reaksiyonu bir saat boyunca, araştırmacılar PMC sürecinin ilk 12 dakikada hakim olduğunu buldular ve bundan sonra Ostwald olgunlaşması devraldı. PMC mekanizması altında, nanoparçacıklar göç eder ve kümelere dönüşür. Ostwald olgunlaşma işlemi devraldığında, daha küçük nanoparçacıklar daha büyük nanoparçacıklara çözülür ve yeniden dağıtır, dondurmada gevrek su kristalleri oluşturabilen aynı işlem.
Mevcut çalışmadaki daha fazla analiz, reaksiyonların daha yavaş olduğu daha düşük voltajların PMC işleminin göçünü ve toplanmasını tetiklediğini ve daha büyük voltajların hız reaksiyonlarını yükselten ve Ostwald olgunlaşmasının çözülmesini ve yeniden yerleştirme sürecini arttırdığını göstermiştir.
SSRL’deki ayrı yerinde X-ışını absorpsiyon spektroskopisi (XAS) ölçümleri, bakır-oksit nanopartiküllerinin yeniden yapılanmadan önce bakır metale azaldığını ve ölüm sonrası görüntülemenin nanopartiküllerin göç ettiğini ve büyük aglomeratlar oluşturduğunu doğruladı. Görüntüleme, Berkeley Lab’ın moleküler dökümhanesinde gelişmiş elektron mikroskopi teknikleri kullanılarak gerçekleştirildi.
Drisdell, “Bu sonuçlar, PMC’yi sınırlamak için iyileştirilmiş destek malzemeleri veya çözünme stratejileri ve fiziksel kaplamalar gibi, çözünmeyi ve Ostwald olgunlaşmasını azaltmak için istenen çalışma koşullarına bağlı olarak katalizörleri korumak için çeşitli azaltma stratejileri önermektedir.” Dedi.
Gelecekteki çalışmalarda, Drisdell ve ekip farklı koruma planlarını test etmeyi planlıyor ve organik moleküllerle katalitik kaplamalar tasarlamak ve bu kaplamaların CO’yu yönlendirme yeteneğini test etmek için Caltech’teki LISA meslektaşlarıyla çalışmaya devam edin.2RR, spesifik yakıtlar ve kimyasalların üretilmesine reaksiyonlar.
