Novidade tecnologia fornece insights eletrizantes sobre uma vez que os catalisadores funcionam no nível atômico

Uma equipe liderada pelo Laboratório Vernáculo Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) inventou uma técnica para estudar processos eletroquímicos em nível atômico com solução sem precedentes e a usou para obter novos insights sobre um material catalisador popular.

As reações eletroquímicas – transformações químicas causadas ou acompanhadas pelo fluxo de correntes elétricas – são a base de baterias, células de combustível, eletrólise e geração de combustível movido a força solar, entre outras tecnologias. Eles também conduzem processos biológicos uma vez que a fotossíntese e ocorrem sob a superfície da Terreno na formação e desagregação de minérios metálicos.

Os cientistas desenvolveram uma célula – uma pequena câmara fechada que pode moderar todos os componentes de uma reação eletroquímica – que pode ser combinada com microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para gerar visualizações precisas de uma reação em graduação atômica. Melhor ainda, seu dispositivo, que eles chamam de célula de polímero líquido (PLC), pode ser gélido para interromper a reação em momentos específicos, para que os cientistas possam observar mudanças na constituição em cada estágio de uma reação com outras ferramentas de caracterização.

Em um cláusula publicado em Naturezaa equipe descreve sua célula e uma investigação de prova de princípio usando-a para estudar um catalisador de cobre que reduz o dióxido de carbono para gerar combustíveis.

“Oriente é um progressão técnico muito interessante que mostra que um tanto que não podíamos fazer antes é agora verosímil. A célula líquida nos permite ver o que está acontecendo na interface sólido-líquido durante as reações em tempo real, que são fenômenos muito complexos. Podemos veja uma vez que os átomos da superfície do catalisador se movem e se transformam em diferentes estruturas transitórias ao interagir com o eletrólito líquido durante as reações eletrocatalíticas, “disse Haimei Zheng, responsável principal e investigador sênior da Ramificação de Ciência de Materiais do Berkeley Lab.

“É muito importante para o projeto do catalisador ver uma vez que ele funciona e também uma vez que ele se degrada. Se não soubermos uma vez que ele irregularidade, não seremos capazes de melhorar o projeto. E estamos muito confiantes de que iremos ver isso suceder com esta tecnologia”, disse o coautor Qiubo Zhang, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Zheng.

Zheng e seus colegas estão entusiasmados em usar o PLC em uma variedade de outros materiais eletrocatalíticos e já iniciaram investigações sobre problemas em baterias de lítio e zinco. A equipe está otimista de que os detalhes revelados pelo TEM habilitado para PLC possam levar a melhorias em todas as tecnologias eletroquímicas.

Novos insights sobre um catalisador popular

Os cientistas testaram a abordagem PLC em um sistema catalisador de cobre que é um tema importante de pesquisa e desenvolvimento porque pode transformar moléculas de dióxido de carbono atmosférico em produtos químicos valiosos à base de carbono, uma vez que metanol, etanol e acetona. No entanto, uma compreensão mais profunda do CO à base de cobre₂ a redução de catalisadores é necessária para projetar sistemas que sejam duráveis ​​e produzam eficientemente um resultado de carbono desejado, em vez de produtos fora do claro.

A equipe de Zheng usou os poderosos microscópios do Meio Vernáculo de Microscopia Eletrônica, secção da Fundição Molecular do Berkeley Lab, para estudar a dimensão dentro da reação chamada interface sólido-líquido, onde o catalisador sólido que passa manante elétrica encontra o eletrólito líquido. O sistema catalisador que eles colocam dentro da célula consiste em cobre sólido com um eletrólito de bicarbonato de potássio (KHCO₃) na chuva. A célula é composta de platina, óxido de alumínio e um filme de polímero superfino de 10 nanômetros.

Usando microscopia eletrônica, espectroscopia de perda de força eletrônica e espectroscopia de força dispersiva de raios X, os pesquisadores capturaram imagens e dados sem precedentes que revelaram transformações inesperadas na interface sólido-líquido durante a reação.

A equipe observou átomos de cobre saindo da período sólida e cristalina do metal e se misturando com átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio do eletrólito e CO.₂ para formar um estado flutuante e horrendo entre a superfície e o eletrólito, que eles apelidaram de “interfase amorfa” porque não é sólido nem líquido. Esta interfase amorfa desaparece novamente quando a manante para de fluir e a maioria dos átomos de cobre retorna à rede sólida.

Segundo Zhang, a dinâmica da interfase amorfa poderia ser aproveitada no porvir para tornar o catalisador mais seletivo para produtos de carbono específicos. Outrossim, a compreensão da interfase ajudará os cientistas a combater a degradação – que ocorre na superfície de todos os catalisadores ao longo do tempo – para desenvolver sistemas com vidas operacionais mais longas.

“Anteriormente, as pessoas dependiam da estrutura de superfície inicial para projetar o catalisador tanto para eficiência quanto para segurança. A invenção da interfase amorfa desafia nossa compreensão anterior das interfaces sólido-líquido, gerando a urgência de considerar seus efeitos ao elaborar estratégias”, disse Zhang. .

“Durante a reação, a estrutura da interfase amorfa muda continuamente, impactando o desempenho. O estudo da dinâmica da interface sólido-líquido pode ajudar na compreensão dessas mudanças, permitindo o desenvolvimento de estratégias adequadas para melhorar o desempenho do catalisador”, acrescentou Zhigang Song, co-primeiro responsável e pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Harvard.

Os outros autores deste trabalho foram Xianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia. B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen. C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang e Yu Huang.