Katalyyttiä atomikerroksittain säätäen

Vetypolttoaineen valmistuksessa käytettävän nikkelipohjaisen katalyytin valmistaneet tutkijat rakensivat sen yhden atomikerroksen kerrallaan saadakseen täyden hallinnan sen kemiallisista ominaisuuksista. Mutta valmis materiaali ei käyttäytynyt odotetulla tavalla: Kun katalysaattorin yksi versio jatkoi työtä, ylin atomikerros järjestyi uudelleen muodostaen uuden kuvion, ikään kuin neliölaatat, jotka peittävät lattian, olisi yhtäkkiä muuttunut kuusikulmioiksi.

Stanfordin yliopiston ja SLAC:n kansallisen kiihdytinlaboratorion tutkijoiden johtama tutkimusryhmä totesi tutkimuksestaan, että se on ok, koska tämän yllättävän muutoksen ymmärtäminen ja hallinta antaa tutkijoille uuden tavan kytkeä katalyyttinen aktiivisuus päälle ja pois ja tehdä hyvistä katalyyteistä vieläkin parempia.

"Katalyytit voivat muuttua hyvin nopeasti reaktion aikana, ja ymmärtäminen, kuinka ne muuttuvat passiivisesta vaiheesta aktiiviseksi, on ratkaisevan tärkeää tehokkaampien katalyyttien suunnittelussa", selvittää tutkimusta johtanut Will Chueh. "Tämä muutos antaa meille nupin siitä kuinka voimme hienosäätää niiden käyttäytymistä."

Tässä työssä tutkittu LNO kuuluu luokkaan lupaavia perovskiittisiä katalyyttisiä materiaaleja. Sen valmisti Saksan Aachenin yliopistosta tullut Christoph Baeumer. Hän teki kalvosta kaksi versiota - yhden nikkelipitoisella ja toisen lantaanipitoisella pinnalla.

"Yllätyimme huomatessamme, että nikkelipitoisilla pinnoilla olevat kalvot ajoivat reaktion kaksi kertaa nopeammin", hämmästelee Baeumer.

Selvittääkseen miksi, ryhmä tutki kalvojen atomirakennetta DOE:n Lawrence Berkeleyn laboratorion Advanced Light Sourcen röntgensäteillä.

Tutkijat yllätti tieto, että ero "hyvän" ja "huonon" katalyytin välillä oli vain kalvojen päällimmäisessä atomikerroksessa. Tutkailu paljasti myös, että kalvoissa, joissa oli runsaasti nikkeliä sisältäviä pintakerroksia ja jotka valmistettiin viileämmissä lämpötiloissa, ylempi atomikerros muuttui jossain vaiheessa vedenjakautumisreaktion aikana, ja tämä uusi järjestely lisäsi katalyyttistä aktiivisuutta.

Samaan aikaan teoreetikko Jiang Li suoritti tämän erittäin monimutkaisen järjestelmän laskennalliset tutkimukset NERSC-laskentakeskuksen avulla. Hänen johtopäätöksensä yhtyivät kokeellisiin tuloksiin, ennustamalla, että katalyytin versio muunnetulla pinnalla - kuutiomallista kuusikulmaiseen - olisi aktiivisin ja vakain.

Nyt tutkijat ihmettelevät tapahtuuko nikkelipitoisen pinnan muutos katalyytin valmistustavan takia vai muutoksista, jotka tapahtuvat sen tehdessä vedenjakautumisreaktiota? Näyttää siltä, että molempien on tapahduttava."

Vaikka juuri tämä katalysaattori ei ole maailman paras veden jakamiseksi vedyksi ja hapeksi, tutkijoita innostaa se kuinka pinnan muunnos lisää sen aktiivisuutta, ja että löytöä voidaan mahdollisesti soveltaa myös muihin materiaaleihin.

Aiheesta aiemmin:

Taloudellisempaa veden hajottamista

Plasmoniikan avulla vetyä merivedestä

Nanohiukkaset edistävät vetytaloutta