Kolejny sukces naukowców z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UWr! Po publikacji w Nature Catalysis swoje badania dotyczące elektrokatalizatorów do produkcji wodoru publikują na łamach prestiżowego czasopisma JOULE (IF: 41.248), o czym informuje Uniwersytet Wrocławski pod tym linkiem.
Rozwój zielonej, alternatywnej gospodarki wodorowej bazującej na produkcji wodoru przy użyciu elektrochemicznego procesu rozszczepiania wody jest uzależniony od efektywnych, stabilnych i ekonomicznych elektrokatalizatorów. Obecnie powszechnie stosowanymi materiałami do budowy katalizatorów są platynowce. Pierwiastki te ujawniają, jak dotąd najlepsze właściwości katalityczne, jednak ich zasoby są mocno ograniczone, co wpływa na ich wysoką cenę. Dodatkowo wydobywanie nowej platyny i jej recykling znacząco przyczyniają się do emisji CO2 w całym cyklu życia elektrolizerów. Aktualnie stosuje się kilka strategii w celu zmniejszenia zapotrzebowania lub całkowitego zastąpienia metali szlachetnych przy jednoczesnym utrzymaniu, lub nawet zwiększeniu wydajności tych urządzeń. Wprowadza się stopy platyny, katalizatory nanostrukturalne (np. rdzeniowo-powłokowych), metale spoza grupy platynowców, węgliki i halogenki metali przejściowych lub azotki i fosforki. Opracowywane innowacyjne katalizatory na bazie powyżej wymienionych nowych materiałów są głównie optymalizowane drogą empirycznej metody „trial&error” (prób i błędów), co znacznie spowalnia rozwój zielonej energii.
Jak donosi JOULE grupa naukowców zajmujących się rozwojem katalizatorów do reakcji wydzielania wodoru, opublikowała kolejne badania przy użyciu nowej metodologii po raz pierwszy zaprezentowanej w Nature Catalysis. Metoda cr-EC-STM (cr z ang. current roughness, EC-STM: elektrochemiczny skaningowy mikroskop tunelowy) pozwala na racjonalną optymalizację materiałów katalitycznych. Jednym z autorów badań 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. Stefano Agnoli, opublikował badania pt. Atom-by-atom identification of catalytic active sites in operando conditions by quantitative noise detection. W pracy tej przedstawiono szczegółowo metodę ilościową opartą na analizie szumów w kwantowym prądzie tunelowym rejestrowanym podczas akwizycji obrazów z rozdzielczością atomową przy użyciu EC-STM. Metoda ta wykraczającą poza obecny stan wiedzy pozwala nie tylko dostarczyć nowych informacji o strukturze atomowej miejsc katalitycznych, ale przede wszystkim ocenić aktywność katalityczną pojedynczych atomów za pomocą zaproponowanych ilościowych deskryptorów, takich jak lokalne nadpotencjały oraz lokalne nachylenia linii Tafela.
Dane eksperymentalne przedstawione w najnowszej publikacji ukazują ogromny potencjał metody cr-EC-STM, będącej jedyną techniką, która może być zastosowana w warunkach pracy katalizatora (in operando). Dostarcza ona nieosiągalnych dotąd klasycznymi metodami, danych na temat aktywności katalitycznej w skali atomowej. Jest to niezwykle istotne, ponieważ standardowe pomiary elektrochemiczne dostarczają informacji uśrednionych (całkowity prąd katalityczny pochodzi od badanej elektrody), stąd nie zawsze pozwala wnioskować o aktywności poszczególnych struktur w skali nano na powierzchni katalizatora. Biorąc pod uwagę unikatową rozdzielczość przestrzenną, metoda cr-EC-STM pozwala z łatwością rozbić złożoną reakcję chemiczną dowolnego systemu na pojedyncze składowe. Dzięki nowym danym pomiarowym możliwa będzie zmiana paradygmatu w podejściu do projektowania elektrokatalizatorów – od identyfikacji aktywnych miejsc na poziomie atomowym, poprzez ocenę ich wydajności katalitycznej, do racjonalnego projektowania katalizatorów poprzez wykorzystanie podejścia opartego na wiedzy („knowledge-based”).
Rysunek 1. Grafika koncepcyjna ukazująca metodę cr-EC-STM. Na powierzchni katalizatora (z lewej na dole) zachodzi reakcja wydzielania wodoru natomiast ostrze umieszczone nad powierzchnią (z prawej na górze) rejestruje prąd tunelowania wraz z szumami wytworzonymi na skutek zachodzących reakcji. Autor grafiki: T. Kosmala.
Na koniec kilka słów o punktach i punkcikach.
Sukces nie jedno ma imię, a jego miarą w naszej rzeczywistości są punkty ministerialne, które nie zawsze wskazują na wartość dokonań naukowych. Zdumiewa fakt, iż współczynnik wpływu (IF) czasopisma JOULE (IF: 41.283) jest wyższy niż liczba punktów przyznanych przez ministerstwo (40 pkt.)! Podobna niefrasobliwość miała miejsce po niedawnym opublikowaniu w prestiżowym czasopiśmie Nature Catalysis (IF: 41.813), którego wartość naukową wyceniono na zaledwie 100 pkt. (choć i tak po ostatnich zmianach wzrosła z 70 pkt.). Taki dysonans należy i warto poprawić, a można to zrobić poprzez okresową automatyczną modyfikacje procesu wyceny czasopism, aby zachować spójność pomiędzy dwoma systemami oceny.
Artykuł “Atom-by-atom identification of catalytic active sites in operando conditions by quantitative noise detection” można znaleźć na stronie internetowej pisma „JOULE”, jak również pod linkiem z darmowym dostępem do 05.05.2022 r. Artykuł można przeczytać również pod tym linkiem, dostępnym dzięki zakupieniu licencji przez UWr. Więcej informacji udzieli Państwu dr Tomasz Kosmala z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UWr (e-mail: tomasz.kosmala@uwr.edu.pl)
Dodała: Joanna Molenda-Żakowicz
Pełnomocnik Dziekana ds. promocji i kontaktów z mediami
