Die Forscher nutzen die Belastung, um den ersten hochleistungsfähigen Zwei-Wege-Oxid-Katalysator zu entwickeln

Anonim

Katalysatoren führen dazu, dass chemische Reaktionen wahrscheinlicher werden. In den meisten Fällen ist ein Katalysator, der chemische Reaktionen in einer Richtung steuert, schlecht in Reaktionen in der entgegengesetzten Richtung. Ein Forscherteam um das Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums hat jedoch den ersten hochleistungsfähigen Zwei-Wege-Oxidkatalysator entwickelt und eine Patentanmeldung für die Erfindung eingereicht. Die Leistung wird im Journal der American Chemical Society berichtet .

Die Forscher machten einen dünnen Film aus Übergangsmetalloxid durch Heteroepitaxie, der ein Material auf einem Substrat mit unterschiedlichem Gitterabstand aufwächst. Die Gitterfehlanpassungen führen zu Spannungen in das System. Die Belastung veränderte die elektronische Struktur des Films, ohne seine chemische Zusammensetzung zu verändern, wodurch ein Katalysator geschaffen wurde, der chemische Reaktionen besser antreiben konnte.

Die Entdeckung könnte die Entwicklung neuer Materialsysteme für die Elektrochemie leiten. Energiespeicher, wie Brennstoffzellen und wiederaufladbare Batterien, wandeln chemische Energie durch eine chemische Reaktion in Elektrizität um. Katalysatoren beschleunigen diesen Prozess und machen ihn effizienter. Insbesondere extrahiert ein Sauerstoffreduktionskatalysator Elektronen aus Sauerstoffmolekülen, während ein Sauerstoffentwicklungskatalysator die Reaktion in der entgegengesetzten Richtung antreibt. Zum Laden und Entladen von regenerativen Energiespeichern sind katalytische Reaktionen erforderlich, die in beiden Richtungen ablaufen.

"Wir haben einen Katalysator gefunden, der sowohl die entgegengerichtete Sauerstoffentwicklungsreaktion als auch die Sauerstoffreduktionsreaktion sehr gut antreibt", sagte der leitende Autor Ho Nyung Lee von der ORNL-Abteilung Materials Science and Technology.

Oxidmaterialien sind Arbeitspferde der Energiegewinnung und -speicherung. Einige Oxidmaterialien enthalten Übergangsmetalle, die leicht Elektronen austauschen können. Studien haben gezeigt, dass die Dehnung von Oxiddünnfilmen ihre Fähigkeit, Ionen zu leiten, verbessert, aber nur wenige Studien haben den Effekt der Belastung auf die Katalyse in Oxiddünnfilmen untersucht. Die Forscher untersuchten Lanthannickelat, ein Oxidsystem mit einer elektronischen Struktur, die die katalytische Spitzenleistung erleichtern kann.

"Es war nicht bekannt, dass Oxide genauso gut wie Edelmetalle als bifunktionelle Katalysatoren funktionieren können", sagte Lee. Er konzentriert sich auf die Kontrolle von Orbitalen, Banden von Elektronen, die sich um den Atomkern drehen und die Wechselwirkungen zwischen Atomen untermauern, um funktionelle Materialien zu entwickeln. "Perowskit-Oxide mit stark korrelierten Elektronen sind in rauer chemischer Umgebung robust und im Vergleich zu Edelmetallkatalysatoren relativ preiswert." Die Leistung des neuen Katalysators war besser als die von Platin, einem Edelmetall, von dem bekannt ist, dass es sowohl die Sauerstoffentwicklung als auch die Reduktionsreaktionen antreibt. Obwohl Nickelate die Leistung von Platin in einer katalytischen Richtung übersteigen können, verhalten sie sich in der anderen schlecht, was ihre Bifunktionalität einschränkt. Die Strain-Technik in dieser Studie hat ihre Leistung in beiden Richtungen verbessert und das Ziel erfüllt, bekannte Katalysatoren wie Platin in Bifunktionalität zu übertreffen.

Technische Belastung

"Für eine Reaktion müssen Sie Bindungen herstellen und Bindungen aufbrechen", sagte Daniel Lutterman von ORNL, der zusammen mit Zhiyong Zhang die katalytischen Tests unterstützte. "Das hängt sehr stark von der Energie dieser Orbitale ab und davon, wie gut sie sich mit den Orbitalen der kleinen Moleküle, die an die Oberfläche kommen, überlappen können. Indem wir diese Energien durch Spannung beeinflussen, beeinflussen wir diese Bindung und Bond-Breaking-Prozess. "

Die Forscher waren die ersten, die gespannte Schichten von Lanthan-Nickelat als bifunktionellen Katalysator untersuchten. Während unverspanntes Lanthan-Nickelat allein ein Katalysator für die Sauerstoffentwicklung ist, ist das verspannte Material ein noch besserer Katalysator, der ebenfalls eine Sauerstoffreduktion ermöglicht. "Im Allgemeinen senkt ein Katalysator die Aktivierungsbarriere für eine Reaktion", sagte Lutterman. "Wenn man es durch die Belastung noch weiter senkt, macht man einen besseren Katalysator. Es ist immer noch das gleiche Material, weil es ein Lanthan-Nickelat ist, aber weil diese Bindungen verlängert sind, ist es ein verstärktes Lanthan-Nickelat."

Jonathan Petrie leitete die epitaktische Synthese von gespannten Oxidmaterialien und katalytische Tests, und Tricia Meyer unterstützte die Dünnschichtabscheidung mit einer Technik, bei der ein Hochleistungs-Excimer-Laser Material verdampft und unter genau kontrollierten Bedingungen als dünne Filme hoher Qualität abscheidet.

John Freeland von der Advanced Photon Source, einer DOE Office of Science-Nutzereinrichtung am Argonne National Laboratory, hat eine Röntgenabsorptionsspektroskopie, eine Technik zum Verständnis von Änderungen der Orbitalstruktur und damit verbundene Datenanalyse, beigesteuert. Valentino Cooper von der ORNL-Abteilung Materials Science and Technology führte theoretische Berechnungen durch.

"Sowohl die Theorie als auch das Experiment haben die Bedeutung eines spezifischen Orbitals für die Definition katalytischer Aktivität auf den Oberflächen von Übergangsmetallen schon lange gezeigt", sagte Cooper. "Hier können wir mithilfe der Theorie Einblicke geben, wie die Orbitalteilung mit der Bifunktionalität an Oxidoberflächen korreliert - was vorher nicht beobachtet wurde."

Dünne Schichten steuern die Orbitalspaltung - das Strecken von Valenzelektronenwolken. "Auf der Oberfläche von Nickelat haben Sie ein Nickelatom in der Mitte eines Quadrats von vier Sauerstoffatomen", sagte Cooper. "Wenn man das Quadrat strafft und die Sauerstoffatome näher bringt, dann wird die Nickel-Sauerstoff-Bindung instabil. Wenn ein Sauerstoffmolekül eindringt und mit dieser Oberfläche reagieren will, wird viel weniger Energie benötigt, um die Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung in der Atmosphäre zu brechen Sauerstoffmolekül. Mit anderen Worten, der Übergangszustand für die Reaktion ist energieärmer. " Diese neue Erkenntnis, wie die Spannung zur Abstimmung der Orbitalspaltung genutzt werden kann, öffnet die Tür zur Entwicklung neuer Strategien für das Design und die Innovation von Katalysatoren.

Der Titel der Arbeit lautet "Verbesserte bifunktionelle Sauerstoffkatalyse in belasteten LaNiO3-Perowskiten".

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