Rozwój katalizatorów do reakcji wydzielania wodoru ma kluczowe znaczenie dla gospodarki wodorowej. Jak donosi NATURE CATALYSIS grupa naukowców zajmujących się tą tematyką, opracowała nową metodologię, która pozwala na racjonalną optymalizację materiałów katalitycznych. Jednym z nich jest dr Tomasz Kosmala z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego, który we współpracy z grupą badawczą z Uniwersytetu w Padwie, kierowaną przez prof. Gaetano Granozzi i grupą teoretyków z Uniwersytetu Mediolańskiego-Bicocca, kierowaną przez prof. Cristinę Di Valentin, opublikował badania pt. Operando visualization of the hydrogen evolution reaction with atomic-scale precision at different metal-graphene interfaces. W pracy tej wykazano, że możliwa jest identyfikacja in operando miejsc najbardziej aktywnych katalitycznie na poziomie pojedynczych atomów w oparciu o analizę szumów prądu tunelowego rejestrowanego za pomocą elektrochemicznego skaningowego mikroskopu tunelowego (EC-STM). Unikatową technologią cr-EC-STM (cr z ang. current roughness) dysponują instytuty badawcze we Wrocławiu i Padwie. Jakość uzyskanych danych jest bezprecedensowa i sekwencja aktywności poszczególnych miejsc elektrokatalitycznych otrzymanych eksperymentalnie została potwierdzona obliczeniami teoretycznymi, bazującymi na najnowocześniejszych metodach symulacji kwantowo-mechanicznych opracowanych na Uniwersytecie Bicocca w Mediolanie.

Metoda cr-EC-STM została zastosowana do innowacyjnych układów katalitycznych odzwierciedlających katalizatory nanostrukturalne rdzeniowo-powłokowe, oparte na materiale 2D (grafenie) i metalu nieszlachetnym (żelazie). Badania pokazały, że ultracienkie warstwy żelaza (około 100 000 razy cieńsze niż średnica ludzkiego włosa) pokryte grafenem wykazują wyjątkową aktywność katalityczną, wyższą niż dla samej platyny. Dzięki zastosowaniu metody cr-EC-STM stwierdzono, że za tak wysoką aktywność katalityczną odpowiedzialne są pojedyncze atomy żelaza uwięzione w lukach struktury grafenu oraz jego deformacje na stopniach atomowych żelaza.

Na ilustracji: Po lewej: graficzna wizualizacja metody cr-EC-STM. Strzałka symbolizuje reakcję ewolucji wodoru na pojedynczym atomie żelaza uwięzionym w defekcie struktury grafenu, natomiast ostrze umieszczone nad powierzchnią rejestruje prąd tunelowania wraz z szumami wytworzonymi na skutek zachodzących reakcji. Po prawej: obraz uzyskany z rozdzielczością atomową układu grafen/żelazo przy użyciu EC-STM.

Dodała: Joanna Molenda-Żakowicz

Pełnomocnik Dziekana ds promocji wydziału i kontaktów z mediami

Źródło: Przegląd Uniwersytecki On-Line