Trasformazioni atomiche catturate utilizzando una cella da 10 nanometri

-

Un team di scienziati negli Stati Uniti ha sviluppato una tecnica per studiare i processi elettrochimici a livello atomico con una risoluzione senza precedenti. Questa innovazione ha portato a una migliore comprensione di un popolare materiale catalizzatore.

Le reazioni elettrochimiche, trasformazioni chimiche causate o accompagnate dal flusso di correnti elettriche, sono alla base di molte tecnologie come le batterie, le celle a combustibile, l’elettrolisi e la generazione di combustibile solare. Svolgono anche un ruolo cruciale nei processi biologici come la fotosintesi e si verificano sotto la superficie terrestre durante la formazione e la scomposizione dei minerali metallici.

Una tecnica per osservare le reazioni elettrochimiche

Gli scienziati hanno sviluppato una cella, una piccola camera chiusa in grado di contenere tutti i componenti di una reazione elettrochimica, che può essere combinata con la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per ottenere visualizzazioni precise di una reazione su scala atomica. Il loro dispositivo, chiamato cella liquida polimerica (PLC), possono essere congelati per arrestare la reazione in momenti specifici, consentendo di osservare i cambiamenti compositivi in ​​ogni fase della reazione con altri strumenti di caratterizzazione.

In un articolo pubblicato su Nature, il team descrive la propria cella e un’indagine di principio che utilizza questa tecnica per studiare un catalizzatore di rame che riduce l’anidride carbonica per generare combustibili.

Osservazioni senza precedenti grazie al PLC

Haimei Zheng, autore principale e scienziato senior della Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab, ha dichiarato: “ Si tratta di un progresso tecnico davvero entusiasmante che dimostra che ciò che prima non potevamo fare ora è possibile. La cella liquida ci permette di vedere in tempo reale cosa accade all’interfaccia solido-liquido durante le reazioni, fenomeni molto complessi. Possiamo vedere come gli atomi superficiali del catalizzatore si muovono e si trasformano in diverse strutture transitorie mentre interagiscono con l’elettrolita liquido durante le reazioni elettrocatalitiche. »

Qiubo Zhang, co-primo autore e ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zheng, ha aggiunto: “ Per la progettazione del catalizzatore è molto importante vedere come funziona un catalizzatore e anche come si degrada. Se non sappiamo come fallisce, non saremo in grado di migliorare il design. E siamo molto fiduciosi che vedremo ciò accadere con questa tecnologia. »

Zheng e i suoi colleghi sono entusiasti di utilizzare il PLC su una varietà di altri materiali elettrocatalitici e hanno già avviato indagini su questioni relative alle batterie al litio e zinco. Il team è ottimista sul fatto che i dettagli rivelati dal TEM assistito da PLC potrebbero portare a miglioramenti attraverso le tecnologie alimentate da processi elettrochimici.

A sinistra, un diagramma che mostra i diversi componenti della cella polimerica liquida (PLC) sviluppata dal team. A destra c’è una fotografia del PLC (il piccolo cerchio tenuto dalla pinza) accanto al dispositivo di sostegno che sostiene il PLC e lo inserisce nel microscopio elettronico a trasmissione. (Credito: Laboratorio di Berkeley, Thor Swift/Laboratorio di Berkeley)

Nuove intuizioni su un popolare catalizzatore

Gli scienziati hanno testato l’approccio PLC su un sistema catalitico in rame, oggetto di intensa ricerca e sviluppo perché può trasformare le molecole di anidride carbonica atmosferica in preziose sostanze chimiche a base di carbonio come metanolo, etanolo e acetone. Tuttavia, è necessaria una comprensione più approfondita dei catalizzatori di rame per la riduzione della CO2 per progettare sistemi sostenibili e produrre in modo efficiente il prodotto di carbonio desiderato anziché quello indesiderato.

Il team di Zheng ha utilizzato i potenti microscopi del Centro nazionale per la microscopia elettronica, parte della fonderia molecolare del Berkeley Lab, per studiare la zona di reazione chiamata interfaccia solido-liquido, dove il catalizzatore solido attraversato da una corrente elettrica incontra l’elettrolita liquido. Il sistema catalitico posizionato all’interno della cella è realizzato in rame solido con un elettrolita di bicarbonato di potassio (KHCO3) in acqua. La cella è composta da platino, ossido di alluminio e una pellicola polimerica ultrasottile da 10 nanometri.

Scoperte e implicazioni

Utilizzando la microscopia elettronica, la spettroscopia di perdita di energia degli elettroni e la spettroscopia a raggi X a dispersione di energia, i ricercatori hanno catturato immagini e dati senza precedenti che rivelano trasformazioni inaspettate nell’interfaccia solido-liquido durante la reazione. Il team ha osservato gli atomi di rame lasciare la fase metallica solida cristallina e mescolarsi con atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno dell’elettrolita e CO2 per formare uno stato amorfo fluttuante tra la superficie e l’elettrolita, che hanno chiamato “ interfase amorfa » perché non è né solido né liquido. Questa interfase amorfa scompare nuovamente quando la corrente smette di fluire e la maggior parte degli atomi di rame ritornano nel reticolo solido.

Secondo Zhang, la dinamica dell’interfase amorfa potrebbe essere sfruttata in futuro per rendere il catalizzatore più selettivo per specifici prodotti del carbonio. Inoltre, la comprensione dell’interfase aiuterà gli scienziati a combattere il degrado che si verifica nel tempo sulla superficie di tutti i catalizzatori, per sviluppare sistemi con durate operative più lunghe.

In precedenza, le persone facevano affidamento sulla struttura superficiale iniziale per progettare il catalizzatore sia in termini di efficienza che di stabilità. La scoperta dell’interfase amorfa mette alla prova la nostra precedente comprensione delle interfacce solido-liquido, spingendo a considerare i suoi effetti durante lo sviluppo di strategie “, disse ancora Qiubo Zhang.

Zhigang Song, co-primo autore e ricercatore post-dottorato presso l’Università di Harvard, ha concluso: “ Durante la reazione, la struttura dell’interfase amorfa cambia continuamente, influenzando le prestazioni. Lo studio della dinamica dell’interfaccia solido-liquido può aiutare a comprendere questi cambiamenti, consentendo lo sviluppo di strategie adeguate per migliorare le prestazioni del catalizzatore. »

Didascalia dell’illustrazione: L’autore principale Haimei Zheng, a sinistra, e il primo autore Qiubo Zhang esaminano i risultati delle misurazioni ottenute utilizzando la loro nuova tecnologia, che è combinata con potenti microscopi presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica del Berkeley Lab. Credito: Thor Swift/Berkeley Lab

Articolo: “Dinamica atomica delle interfacce solido-liquido elettrificate in TEM a celle liquide” – DOI: 10.1038/s41586-024-07479-w

-

NEXT OpenAI lancia GPT critico per correggere GPT-4