I ricercatori della Rice University hanno esaminato a fondo i catalizzatori dello spessore di un atomo che producono idrogeno per vedere con precisione da dove proviene. Le loro scoperte potrebbero accelerare lo sviluppo di materiali 2-D per applicazioni energetiche, come le celle a combustibile.

Il laboratorio di riso dello scienziato dei materiali Jun Lou, con i colleghi del Los Alamos National Laboratory, ha sviluppato una tecnica per sondare attraverso minuscole "finestre" create da un fascio di elettroni e misurare l'attività catalitica del bisolfuro di molibdeno, un materiale bidimensionale che promette bene per applicazioni che utilizzano l'elettrocatalisi per estrarre l'idrogeno dall'acqua.

I primi test su due varianti del materiale hanno dimostrato che la maggior parte della produzione proviene dai bordi delle lastre sottili. I ricercatori hanno riportato i loro risultati questo mese in Materiale avanzato .

I ricercatori sapevano già che i bordi dei materiali 2-D sono dove si trova l'azione catalitica, quindi qualsiasi informazione che aiuta a massimizzarla è preziosa, ha detto Lou.

"Stiamo usando questa nuova tecnologia per identificare i siti attivi che sono stati a lungo previsti dalla teoria, " ha detto. "C'era qualche prova indiretta che i siti di bordo sono sempre più attivi dei piani basali, ma ora abbiamo la prova diretta".

I microchip portatori di sonda sviluppati a Los Alamos e il metodo creato da Lou e dall'autore principale Jing Zhang, un ricercatore post-dottorato di riso, aprire un percorso per lo screening rapido di potenziali candidati alla reazione di evoluzione dell'idrogeno tra materiali bidimensionali.

"La maggior parte del materiale è sulla superficie, e vuoi che sia un catalizzatore attivo, piuttosto che solo il bordo, " disse Lou. "Se la reazione avviene solo al limite, si perde il vantaggio di avere tutta la superficie fornita da una geometria 2D."

Il laboratorio ha testato scaglie di bisolfuro di molibdeno con diverse strutture cristalline note come "1T prime" (o ottaedrico distorto) e 2H (prismatico trigonale). "Sono fondamentalmente lo stesso materiale con la stessa composizione chimica, ma le posizioni dei loro atomi sono diverse, Lou ha detto. "1T primo è metallico e 2H è un semiconduttore".

Ha detto che i ricercatori hanno finora dimostrato sperimentalmente che il primo 1T più conduttivo era catalitico lungo tutta la sua superficie, ma lo studio della Rice ha dimostrato che ciò non è del tutto accurato. "I nostri risultati hanno mostrato che il bordo primo 1T è sempre più attivo del piano basale. Questa è stata una nuova scoperta, " Egli ha detto.

Dopo aver prodotto i fiocchi tramite deposizione chimica da vapore, Zhang ha utilizzato un metodo di evaporazione a fascio di elettroni per depositare gli elettrodi sui singoli fiocchi. Ha poi aggiunto uno strato isolante di poli(metilmetacrilato), un termoplastico trasparente, e bruciato uno schema di "finestre" nel materiale inerte attraverso la litografia e-beam. Ciò ha permesso ai ricercatori di sondare sia i bordi che i piani basali del materiale 2-D, o solo bordi specifici, a risoluzione submicronica.

Le 16 sonde sul chip quadrato di un pollice costruito a Los Alamos immettono energia nei fiocchi attraverso le finestre. Quando si produce idrogeno, scappa come un gas ma ruba un elettrone dal materiale. Ciò crea una corrente che può essere misurata attraverso gli elettrodi. Le sonde possono essere indirizzate singolarmente o tutte in una volta, consentendo ai ricercatori di ottenere dati per più siti su un singolo fiocco o da più fiocchi.

I test rapidi aiuteranno i ricercatori a modificare i loro materiali microscopici in modo più efficiente per massimizzare l'attività catalitica dei piani basali. "Ora c'è un incentivo a utilizzare la forza di questo materiale, la sua superficie, come catalizzatore, " Ha detto Lou. "Questa sarà un'ottima tecnica di screening per accelerare lo sviluppo di materiali 2-D".