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.
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