„Unser Ansatz ermöglichte es uns, zu untersuchen, wie sich die nanoskalige Größenverteilung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen entwickelt, und zwei verschiedene Mechanismen zu identifizieren, die wir dann nutzen können, um unsere Bemühungen zur Stabilisierung dieser Systeme und zum Schutz vor Abbau zu lenken“, sagte Walter Drisdell, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Chemical Sciences Division des Berkeley Lab und Hauptforscher bei LiSA.
In einer bahnbrechenden Studie, die in den Vereinigten Staaten durchgeführt wurde, haben Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und des SLAC National Accelerator Laboratory die grundlegenden Mechanismen aufgedeckt, die die Leistung von Kupferkatalysatoren einschränken. Diese Katalysatoren sind entscheidende Komponenten der künstlichen Photosynthese, einem Prozess, der Kohlendioxid und Wasser in wertvolle Brennstoffe und Chemikalien umwandelt.
Die im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Ergebnisse bieten beispielliche Einblicke in den Katalysatorabbau, eine Herausforderung, die Wissenschaftler seit Jahrzehnten vor Rätsel stellt.
Mithilfe ausgefeilter Röntgentechniken beobachtete das Team direkt, wie sich Kupfernanopartikel während des katalytischen Prozesses verändern. Sie wandten Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) an, um Einblicke in den Katalysatorabbau zu gewinnen. Dies ermöglichte es ihnen, zwei konkurrierende Mechanismen zu identifizieren und zu beobachten, die Kupfernanopartikel an den Rand des Abbaus in einem CO-elektrochemischen Reduktionsreaktionskatalysator (CORR) treiben: Partikelmigration und -koaleszenz (PMC) sowie Ostwald-Reifung.
Die Forscher fanden heraus, dass der PMC-Prozess in den ersten 12 Minuten der CORR-Reaktion dominiert, gefolgt von der Ostwald-Reifung. Niedrigere Spannungen lösen die Migration und Agglomeration des PMC-Prozesses aus, während höhere Spannungen die Reaktionen beschleunigen und den Auflösungs- und Wiederablagerungsprozess der Ostwald-Reifung verstärken.
Diese Entdeckungen legen verschiedene Minderungsstrategien zum Schutz von Katalysatoren nahe. Dazu gehören verbesserte Trägermaterialien zur Begrenzung von PMC oder Legierungsstrategien und physikalische Beschichtungen, um die Auflösung zu verlangsamen und die Ostwald-Reifung zu reduzieren. Zukünftige Studien werden sich auf die Erprobung verschiedener Schutzschemata und die Entwicklung katalytischer Beschichtungen konzentrieren, um CORR-Reaktionen in die Produktion spezifischer Brennstoffe und Chemikalien zu lenken.