Инженеры разгадали тайну ограничений искусственного фотосинтеза
Наука 29 апреля 2025

Инженеры разгадали тайну ограничений искусственного фотосинтеза

Далее

Исследование определило фундаментальные механизмы, которые ограничивают эффективность медных катализаторов. Это важный компонент систем, которые преобразуют углекислый газ и воду в топливо и химикаты.

Американские исследователи использовали рентгеновские методы, чтобы напрямую наблюдать, как наночастицы меди изменяются в ходе каталитического процесса в процессе искусственного фотосинтеза. Исследование с помощью метода малоуглового рентгеновского рассеяния показало детали деградации катализатора. Эта проблема десятилетиями озадачивали ученых.

В 1980-х ученые определили, что медь действует как высокоэффективный катализатор для преобразования углекислого газа и воды в исходные ингредиенты для жидкого топлива и химикатов. Последующие исследования показали, что медь содержит активные центры: электроны с поверхности атомов взаимодействуют с углекислым газом и водой в реакции, которая преобразует исходные вещества в этанол и этилен.

Суперкаталитические свойства меди ухудшаются во время реакции, снижая производительность с течением времени. Исследователи отслеживали распределение размеров и формы однородных 7-нанометровых наночастиц оксида меди под действием различных электрических напряжений в специально разработанной электрохимической ячейке с водным электролитом.

Анализ выявил два механизма, которые приводят к деградации наночастиц. В течение первых 12 минут доминирует миграция и коалесценция частиц: они мигрируют и объединяются в кластеры. После этого вступает в силу процесс созревания Оствальда: более мелкие частицы растворяются и повторно осаждаются на более крупных наночастицах.

Два процесса, которые приводят к деградации катализатора. Изображение: Soo Hong Lee et al., Journal of the American Chemical Society

Дальнейшие наблюдения показали, что более низкие напряжения, при которых реакции протекают медленнее, запускают миграцию и агломерацию частиц, а более высокие напряжения ускоряют реакции, усиливая процесс растворения и повторного осаждения при созревании Оствальда.

Понимание механизмов, которые приводят к деградации частиц поможет им противостоять.

Результаты предполагают различные стратегии смягчения последствий для защиты катализаторов в зависимости от желаемых условий эксплуатации: улучшенные материалы подложки для ограничения миграции и коалесценции частиц или стратегии легирования и физические покрытия для замедления растворения и снижения созревания Оствальда.

Уолтер Дрисделл, соавтор исследования из Лаборатории Беркли

Читать далее:

Оружие будущего: Япония запустила снаряды из рельсотрона со скоростью 8000 км/ч

Целый океан исчез на Земле: как это изменило историю нашей планеты

Эйнштейн ошибся: возможно, пространства-времени вообще не существует

На обложке: система для искусственного фотосинтеза. Изображение: Marilyn Sargent, Berkeley Lab