Niedawne badania przeprowadzone na Wydziale Nauk o Interfejsach Instytutu Fritz-Habera rzuciły światło na kinetykę elektrosorpcji jonów i ich reorganizację na powierzchniach elektrokatalizatora.
Badanie, które wykorzystuje teorię stanu przejściowego i nowoczesne techniki spektroskopowe, dostarcza kluczowych informacji na temat wpływu entropii aktywacji i cech powierzchni strukturalnych, takich jak defekty, na reakcje katalityczne. To głębokie zrozumienie może prowadzić do opracowania skuteczniejszych katalizatorów do konwersji energii i produkcji chemicznej.
Ścieżka jonowa i dynamika solwatacji
Na ścieżkę jonów duży wpływ ma proces wszechobecny w bio- i elektrochemii: jony muszą zreorganizować swoją powłokę solwatacyjną, zanim będą mogły interkalować do katod akumulatora, przedostać się do kanałów jonowych przez błony biochemiczne lub zaadsorbować i przekształcić się w substancje chemiczne, takie jak zieleń wodór na powierzchniach elektrokatalizatorów.
Wcześniej zespół odkrył, że kinetyką międzyfazowej solwatacji jonów rządzą tak zwane efekty kompensacyjne pomiędzy entropią aktywacji a entalpią. Innymi słowy, wraz ze wzrostem wysokości góry przed ionem zwiększa się liczba dostępnych szlaków turystycznych, co zwiększa prawdopodobieństwo, że ion wybierze się na wędrówkę. Aby dojść do tych wniosków, zespół zinterpretował kinetykę zgodnie z fizyką statystyczną i równaniem Eyringa-Evansa-Polanyiego, będącym centralnym elementem teorii stanu przejściowego z 1935 r., opracowanej wspólnie przez Michaela Polanyi, kierownika Wydziału Chemii Fizycznej FHI aż do 1933.
Postępy w teorii stanu przejściowego
Teraz, prawie 90 lat później, badacze z Zakładu Nauki o Interfejsach są w stanie prześledzić dwa kluczowe parametry teorii stanu przejściowego, entalpię aktywacji i entropię aktywacji, z rozdzielczością milisekundową.
„Nasze odkrycia są naprawdę istotne na wielu podstawowych poziomach” – mówi Francisco Sarabia, pierwszy autor badania i stypendysta podoktorski Marie Curie. „Dzięki tej technice możemy bezpośrednio uzyskać dostęp do kinetyki elektrosorpcji jonów wodorotlenkowych, które występują na określonych motywach powierzchni strukturalnych, np. krawędziach schodkowych lub defektach, i pokazać, w jaki sposób są one powiązane z kinetyką elektrokatalizatora. Ponadto zbadaliśmy dynamiczne zatruwanie powierzchni Pt podczas reakcji utleniania amoniaku i jego wpływ na kinetykę solwatacji. Jak dotąd ten poziom wglądu pozostawał całkowicie ukryty”.
Ogólnie rzecz biorąc, praca dodatkowo potwierdza pogląd, że zmiany entropii aktywacji na powierzchni katalizatora i w rozpuszczalniku międzyfazowym mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia aktywności elektrokatalizatora. Zespół odkrył na przykład, że pH może bezpośrednio wpływać na entropię aktywacji i wywoływać zmiany aktywności inne niż Nernstian wraz z pH. Obecnie powszechnie przyjmuje się, że energia aktywacji odgrywa główną rolę w zależności od obciążenia reakcji elektrokatalitycznych.
Wgląd w aktywność elektrokatalizatora w czasie rzeczywistym
Dr Sebastian Öner, kierownik grupy na Wydziale Nauk o Interfejsach i współautor badania, jeszcze bardziej podkreśla znaczenie tych odkryć. „Obfite dowody ze spektroskopii operandowej i mikroskopii, w tym pochodzące od moich kolegów z Wydziałów Chemii Nieorganicznej i Nauki o interfejsach, pokazują, że powierzchnie katalizatorów są bardzo dynamiczne. Oprócz badania kinetyki solwatacji mamy teraz narzędzie, które możemy zastosować do przechwytywania prawdziwych informacji kinetycznych w czasie rzeczywistym i nakładania na nie informacji spektroskopowych i mikroskopowych”.
Badania zespołu podkreślają znaczenie zależnych od obciążenia zmian w lokalnym środowisku katalizatorów, pokazując, w jaki sposób struktura stała i ciekły elektrolit są ze sobą ściśle powiązane i mogą na siebie wpływać. To wszechstronne zrozumienie ma kluczowe znaczenie dla opracowania katalizatorów o ulepszonej aktywności, selektywności i stabilności.
Wpływ na konwersję energii i chemiczną
Departament Nauki o Interfejsach, kierowany przez prof. dr Beatriz Roldán Cuenya, zobowiązał się do dalszego badania tych spostrzeżeń, co może mieć znaczący wpływ na dziedziny technologii konwersji energii i substancji chemicznych.
Odniesienie: „Exploring dynamic solvation kinetics at electrocatalyst Surfaces” autorstwa Francisco Sarabii, Carlosa Gomeza Rodellara, Beatriz Roldan Cuenya i Sebastiana Z. Oenera, 18 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52499-9
