Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha desarrollado una técnica para estudiar procesos electroquímicos a nivel atómico con una resolución sin precedentes y obtener nuevos conocimientos sobre un material catalítico popular. Las reacciones electroquímicas (cambios químicos causados o acompañados por el flujo de corriente eléctrica) son la base de las baterías, las pilas de combustible, la electrólisis y la producción de combustible con energía solar, entre otras tecnologías. También impulsan procesos biológicos como la fotosíntesis y la formación y descomposición de minerales metálicos que ocurren debajo de la superficie terrestre.
Los científicos han desarrollado una celda, una pequeña cámara cerrada que puede contener todos los componentes de una reacción electroquímica, que se puede combinar con la microscopía electrónica de transmisión (TEM) para producir vistas precisas de las reacciones a escala atómica. Aún mejor, su dispositivo, al que llaman celda de polímero líquido (PLC), se puede congelar para detener la reacción en momentos específicos, de modo que los científicos puedan combinar la reacción con otras herramientas especializadas para observar los cambios estructurales en cada etapa. En un artículo publicado el 19 de junio. La naturalezael equipo describe su celda y su investigación de prueba de principio usándola para estudiar un catalizador de cobre que reduce el dióxido de carbono para producir combustible.
“Este es un avance tecnológico muy emocionante que muestra que algo que no podíamos hacer antes ahora es posible. La celda de líquido nos permite ver lo que sucede en la interfaz sólido-líquido durante una reacción en tiempo real. fenómenos complejos”, dijo Hemi Zheng, autor principal y científico principal de la División de Ciencia de Materiales del Laboratorio de Berkeley, que analiza cómo los átomos en la superficie del catalizador interactúan con el electrolito líquido durante las reacciones electrocatalíticas. se mueven y se transforman en varias estructuras temporales.
“Es fundamental para el diseño del catalizador ver cómo funciona un catalizador y también cómo se descompone. Si no sabemos cómo falla, no podremos mejorar el diseño. Y tenemos mucha confianza en que lo lograremos”. Vamos a ver que eso suceda con esta tecnología”, dijo el coautor Kubo Zhang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Zheng.
Zheng y sus colegas están entusiasmados por aplicar PLC a otros materiales electrocatalíticos y ya han comenzado a investigar el problema en baterías de litio y zinc. El equipo espera que los detalles revelados por TEM con PLC puedan conducir a mejoras en todas las tecnologías electroquímicas.
Nuevos conocimientos sobre un catalizador popular.
Los científicos probaron el método PLC en un sistema catalizador de cobre que es un tema candente de investigación y desarrollo porque puede convertir moléculas de dióxido de carbono en la atmósfera en valiosos químicos a base de carbono, como metanol, etanol y acetona. Sin embargo, una comprensión más profunda del CO a base de cobre2 La reducción de catalizadores es necesaria para diseñar sistemas que sean sostenibles y produzcan eficientemente el producto de carbono deseado y no el producto fuera del objetivo.
El equipo de Zheng utilizó potentes microscopios en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica, parte de la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley, para estudiar la región dentro de la reacción llamada interfaz sólido-líquido, donde el catalizador sólido a través del cual pasa una corriente eléctrica es similar a un líquido. electrólito. El sistema catalizador que pusieron dentro de la celda consiste en cobre sólido con un electrolito de bicarbonato de potasio (KHCO).3) en agua. La celda consta de platino, óxido de aluminio y una película de polímero ultrafina de 10 nanómetros.
Utilizando microscopía electrónica, espectroscopia de pérdida de energía electrónica y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía, los investigadores obtuvieron imágenes y datos sin precedentes que revelaron cambios inesperados en la interfaz sólido-líquido durante la reacción. El equipo observó que los átomos de cobre abandonaban la fase metálica sólida y cristalina y se mezclaban con los átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno del electrolito y el CO.2 para crear un estado volátil y amorfo entre la superficie y el electrolito, al que llamaron “interfaz amorfa” porque no es ni sólido ni líquido. Esta interfaz amorfa vuelve a desaparecer cuando la corriente deja de fluir y la mayoría de los átomos de cobre regresan a la red sólida.
Según Zhang, la dinámica de la interfaz desordenada podría aprovecharse para hacer que los catalizadores sean más selectivos para productos de carbono específicos en el futuro. Además, comprender la interfaz ayudará a los científicos a combatir la degradación (que se produce en la superficie de todos los catalizadores con el tiempo) para desarrollar sistemas con vidas operativas más largas.
“Anteriormente, la gente dependía de estructuras superficiales primitivas para diseñar catalizadores tanto para la eficiencia como para la estabilidad. El descubrimiento de interfaces amorfas desafía nuestra comprensión previa de las interfaces sólido-líquido, lo que hace que las estrategias deban considerarse las implicaciones al diseñar”, dijo Zhang. .
“Durante la reacción, la estructura de la interfaz aleatoria cambia constantemente, lo que afecta la eficiencia. Estudiar la dinámica de la interfaz sólido-líquido puede ayudar a comprender estos cambios, lo que permite optimizar el rendimiento del catalizador y puede permitir el desarrollo de estrategias”. Zhigang Song, coprimer autor y académico postdoctoral de la Universidad de Harvard.
Otros autores de este trabajo fueron Xianhu Sun, Yang Liu, Jiaoyi Wan, Sophia. B. Betzler, Qi Zheng, Junyi Shangguan, Karen. C. Bustillo, Peter Ercius, Prineha Narang y Yu Huang. La financiación fue proporcionada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
