Мікроскопічні перетворення поверхонь електрокаталізатора

Мікроскопічні перетворення поверхонь електрокаталізатора

Мітка часу: 18 серпня 2023 р., 6:08
Вихідний вузол: 2833665
18 серпня 2023 (Новини Nanowerk) Розробка технологій, які можуть перетворювати CO2 в синтетичне паливо та основні хімічні речовини має ключове значення для досягнення кліматичних цілей. Електрохімічне відновлення CO2 на мідних електродах дозволяє робити це безпосередньо за допомогою електроенергії з відновлюваних джерел, яку можна використовувати для виробництва електронного палива. Нові дослідження показують, що цей процес змінює розташування атомів міді на поверхні каталізатора. Мідь є незамінним каталізатором CO2 відновлення, особливо для синтезу особливо цінних хімічних речовин і палива, таких як етанол. Для цього дуже сприятливо, якщо атоми міді на поверхні мають сильно невпорядковане розташування. Останнього можна досягти, наприклад, шляхом попереднього окислення мідної поверхні або шляхом легування. У спільному дослідженні Інституту експериментальної та прикладної фізики Кільського університету та Департаменту науки про інтерфейс Інституту Фріца Хабера (FHI) Товариства Макса Планка (MPG) виявилося, що такі невпорядковані структури також спонтанно утворюються на самому початку стадії електрокаталітичного СО2 реакція скорочення. Дослідники помітили, що атоми міді всередині металу рухалися до поверхні та збиралися в окрему групу лише з кількох атомів. Це перетворення металу було спричинене СО, проміжним продуктом реакції, і зберігалося навіть при високих швидкостях реакції. Результати були опубліковані в науковому журналі Природний каталіз («Атомно-масштабна реструктуризація поверхні мідних електродів під CO2 умови електровідновлення”). Нанорозмірна реструктуризація поверхні Cu(100) Нанорозмірна реструктуризація поверхні Cu(100). Послідовна послідовність скануючих зображень тунельної мікроскопії in situ в 0.1M KHCO3 під час ступінчастих змін потенціалу від (ліва панель) 0.12 В до 0.17 В, 0.22 В і (права панель) нарешті 0.27 В, що призводить до утворення нанокластерів. (Зображення: Reihaneh Amirbeigiarab) «Оскільки електрокаталітичний CO2 відновлення відбувається на металах у водному розчині карбонату, подібно до мінеральної води, і супроводжується утворенням газоподібного водню, докладні дослідження процесу в атомному масштабі є складними», – каже Олаф Магнуссен, професор фізики твердого тіла Кільського університету. Тому дослідники використали комбінацію методів, які можна застосовувати навіть у цих складних умовах. Команда з Кіля спостерігала трансформацію поверхні міді безпосередньо за допомогою електрохімічної скануючої тунельної мікроскопії з високою роздільною здатністю (див. малюнок). Цей метод дозволяє отримати пряме зображення атомів і молекул на поверхні. Дослідження рентгенівської дифракції, проведені вченими з Кіля та Берліна на синхротроні PETRA III компанії DESY у Гамбурзі, підтвердили це перетворення. Крім того, ці вимірювання показали, що при високій швидкості реакції зберігаються окремі атоми міді, але подальшого утворення не відбувається. Молекулярна спектроскопія в Інституті Фріца Габера нарешті показала, що зміни були спричинені утвореним CO. «Результати свідчать про різку трансформацію поверхні електрода кожного разу, коли електричний струм потрібен для CO2 зменшення ввімкнено. Це було раніше невідомо, але могло відігравати важливу роль у каталізі», – каже професор Беатріс Ролдан Куенья, директор відділу науки про інтерфейс FHI. Однією зі стратегій впливу на структуру каталізатора і, таким чином, на тип утворених хімічних сполук є керування електродом імпульсами напруги. Дійсно, це вже було показано в попередній роботі дослідницької групи. Однак мідь там періодично окислювалася за допомогою електричної енергії, що вимагає зміни полярності електрода. Згідно з новими результатами, подібні ефекти можна отримати вже шляхом простого вмикання та вимикання струму. «Загалом, дослідження підтверджує нашу гіпотезу про те, що не лише матеріал електрода, але й умови експлуатації та мікросередовище мають значення для реалізації цієї екологічно чистої технології», — каже команда.

Часова мітка:

Більше від Нановерк