Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı tarafından geliştirilen yeni bir yöntem, gelişmiş mikroskopi kullanarak elektrokimyasal reaksiyonları atomik düzeyde inceliyor, katalizör malzemelerindeki karmaşık değişiklikleri ortaya çıkarıyor ve dayanıklılıklarını ve verimliliklerini artırma konusunda rehberlik sağlıyor.
Elektrik akımı akışıyla ya da elektrik akımı akışıyla birlikte meydana gelen kimyasal değişimler elektrokimyasal reaksiyonlar olarak bilinir. Piller ve yakıt hücreleri gibi teknolojilerin yapı taşlarını oluştururlar, fotosentez gibi biyolojik işlevlere güç verirler ve gezegen yüzeyinin altındaki metal cevherlerinin oluşumunda ve ayrışmasında rol oynarlar.
Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı’ndaki (Berkeley Laboratuvarı) bir grup, elektrokimyasal reaksiyona dahil olan her elementi barındırabilen küçük, kapalı bir alan olan hücre adı verilen bir cihaz yarattı. Transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ile birlikte kullanıldığında hücre, atom seviyesinde bir reaksiyonun doğru görüntülerini üretebilir. Ek karakterizasyon tekniklerinin kullanılmasıyla bilim insanları, reaksiyonu önceden belirlenen zamanlarda durdurmak için dondurulabilen polimer sıvı hücre (PLC) adını verdikleri aygıtlarını kullanarak reaksiyonun her aşamasındaki bileşim değişikliklerini tespit edebilirler.
Ekip, Nature dergisinde yeni yayınlanan yeni bir yayında hücrelerini ve yakıt oluşturmak için karbondioksiti azaltan bir bakır katalizörünü araştırmak için onu kullanan prensip çalışmasının kanıtını tartışıyor.
Bu, bir zamanlar imkansız olanın artık başarılabilir olduğunu gösteren inanılmaz bir teknik ilerlemedir. Reaksiyonlar sırasında katı-sıvı sınırında meydana gelen karmaşık süreçlerin gerçek zamanlı görselleştirilmesi, sıvı hücre tarafından mümkün kılınmaktadır. Berkeley Laboratuvarı’ndan Haimei Zheng’e göre, katalizör yüzey atomları elektrokatalitik reaksiyonlar sırasında sıvı elektrolit ile etkileşime girdikçe, bunların nasıl hareket ettiğine ve çeşitli geçici konfigürasyonlara dönüştüklerine tanık olabiliyoruz.
Zheng’in grubundaki Qiubo Zhang şunları söyledi: “Bir katalizörün nasıl çalıştığını ve bozunduğunu bilmek, katalizör tasarımı için çok önemlidir.” Neden işe yaramadığını anlamazsak tasarımı daha iyi hale getiremeyiz. Ve bu teknolojinin bunun gerçekleşmesini sağlayacağına olan inancımız tam.
PLC yöntemi, atmosferik karbon dioksit moleküllerini aseton, metanol ve etanol gibi faydalı karbon bazlı bileşiklere dönüştürebildiği için araştırma ve geliştirme için sıcak bir konu olan bakır katalizör sistemi kullanılarak araştırmacılar tarafından teste tabi tutuldu. Bununla birlikte, hedef dışı bileşikler yerine amaçlanan karbon ürününü etkili ve sağlam bir şekilde üreten sistemler tasarlamak için, bakır bazlı CO2 azaltıcı katalizörlerin daha derinlemesine anlaşılması gerekmektedir.
Zheng’in grubu, Ulusal Elektron Mikroskobu Merkezi’ndeki güçlü mikroskopları kullanarak, içinden elektrik akımı geçen katı katalizörün sıvı elektrolitle buluştuğu katı-sıvı arayüzü olarak bilinen reaksiyon bölgesini inceledi.
Hücre içinde katalizör sistemi olarak katı bakır, elektrolit olarak ise sudaki potasyum bikarbonat (KHCO3) kullanıldı. Platin, alüminyum oksit ve 10 nanometrelik çok ince bir polimer tabaka hücreyi oluşturur.
Araştırmacılar, reaksiyon boyunca katı-sıvı arayüzünde beklenmedik değişiklikler gösteren elektron mikroskobu, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi ve elektron enerji kaybı spektroskopisini kullanarak daha önce duyulmamış resimler ve veriler elde etti. Araştırmacılar, bakır atomlarının kristal katı metal fazından çıktığını ve elektrolitteki CO2, karbon, hidrojen ve oksijen atomlarıyla karışarak elektrolit ile yüzey arasında amorf, dalgalı bir durum oluşturduğunu gördüler; bu durumu “amorf arafaz” olarak adlandırdılar. ne sıvı ne de katı. Akım kesildiğinde bakır atomlarının çoğunluğu katı kafese geri döner ve bu amorf ara fazlar bir kez daha kaybolur.
Zhang, gelecekte katalizörün amorf ara fazdaki dinamiklerinin, belirli karbon ürünlerine yönelik seçiciliğini arttırmak için kullanılabileceğini söylüyor.
Dahası, ara fazı anlayarak bilim insanları, sonuçta tüm katalizörlerin yüzeyinde meydana gelen bozulmayla daha iyi mücadele edebilecek ve daha uzun çalışma ömrüne sahip sistemler yaratabilecekler.
Geçmişte katalizörün başlangıç yüzey yapısı, kararlılığını ve verimliliğini belirlemek için kullanılıyordu. Zhang, amorf ara fazlar bulgusunun “katı-sıvı arayüzlerine ilişkin önceki anlayışımıza meydan okuduğunu ve stratejiler geliştirirken bunun etkilerini hesaba katmayı gerektirdiğini” belirtti.
Performans, amorf ara fazın reaksiyon boyunca sürekli yapısal değişikliklerinden etkilenir. Ortak yazar ve Harvard Üniversitesi doktora sonrası araştırmacısı Zhigang Song, bu değişiklikleri anlamanın ve katalizör performansını iyileştirmek için uygun teknikleri geliştirmenin, katı-sıvı arayüzünün dinamiklerini inceleyerek kolaylaştırılabileceğini belirtti.
Zheng ve arkadaşları zaten çinko ve lityum pillerle ilgili sorunları araştırmaya başladılar ve PLC’yi bir dizi ek elektrokatalitik malzemeye uygulamaya istekliler. Grup, PLC destekli TEM’in içgörülerinin, elektrokimyasal olarak çalışan tüm cihazlarda ilerlemelere yol açacağından umutlu.
