חוקרים במעבדה הלאומית לורנס ברקלי פיתחו שיטה חדשה לצפייה בתגובות אלקטרוכימיות ברמה האטומית באמצעות תא שתוכנן במיוחד בשילוב עם מיקרוסקופ אלקטרונים. טכניקה זו חשפה תובנות משמעותיות לגבי ההתנהגות וההשפלה של זרזי נחושת המשמשים להפחתת CO2, ועשויות להנחות את התכנון של מערכות זרזים יעילות ועמידות יותר. קרדיט: twoday.co.il
טכניקה חדשה שפותחה על ידי המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי משתמשת במיקרוסקופיה מתקדמת כדי לחקור תגובות אלקטרוכימיות ברמה האטומית, חושפת טרנספורמציות מפורטות בחומרי זרז ומציעה תובנות לגבי שיפור היעילות והעמידות שלהם.
תגובות אלקטרוכימיות הן טרנספורמציות כימיות הנגרמות או מלווה בזרימת זרמים חשמליים. הם הבסיס לטכנולוגיות כמו סוללות ותאי דלק, מניעות תהליכים ביולוגיים כגון פוטוסינתזהומתרחשים מתחת לפני כדור הארץ בהיווצרות ופירוק של עפרות מתכת.
צוות בראשות המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) פיתח תא – תא סגור קטן שיכול להכיל את כל המרכיבים של תגובה אלקטרוכימית – שניתן לשייך למיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת (TEM) כדי ליצור תצוגות מדויקות של תגובה בקנה מידה אטומי. ניתן להקפיא את המכשיר שלהם, אותו הם מכנים תא נוזלי פולימרי (PLC), כדי לעצור את התגובה בנקודות זמן ספציפיות, מה שמאפשר למדענים לצפות בשינויים בהרכב בכל שלב של תגובה עם כלי אפיון אחרים. במאמר חדש, שפורסם לאחרונה ב טֶבַעהצוות מתאר את התא שלהם וחקירה הוכחה עקרונית באמצעותו לחקור זרז נחושת שמפחית פחמן דו חמצני ליצירת דלקים.
הסופר הבכיר Haimei Zheng, משמאל, והמחבר הראשון Qiubo Zhang מסתכלים על תוצאות המדידות שהושגו באמצעות הטכנולוגיה החדשה שלהם, המשודכת למיקרוסקופים רבי עוצמה במרכז הלאומי למיקרוסקופיה אלקטרונית של מעבדת ברקלי. קרדיט: Thor Swift/Berkeley Lab
"זוהי פריצת דרך טכנית מאוד מרגשת שמראה שמשהו שלא יכולנו לעשות קודם הוא אפשרי כעת. התא הנוזלי מאפשר לנו לראות מה קורה בממשק מוצק-נוזל בזמן תגובות בזמן אמת, שהן תופעות מורכבות מאוד. אנו יכולים לראות כיצד אטומי פני השטח של הזרז נעים והופכים למבנים חולפים שונים בעת אינטראקציה עם האלקטרוליט הנוזלי במהלך תגובות אלקטרוקטליטיות", אמר Haimei Zheng, מחבר ראשי ומדען בכיר בחטיבת מדעי החומרים של מעבדת ברקלי.
המחבר הראשון Qiubo Zhang, עמית מחקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של ג'נג אמר: "חשוב מאוד לתכנון זרז לראות איך זרז עובד וגם איך הוא מתכלה. אם לא נדע איך זה נכשל, לא נוכל לשפר את העיצוב. ואנחנו מאוד בטוחים שאנחנו הולכים לראות את זה קורה עם הטכנולוגיה הזו."
חקר זרזי נחושת עם טכנולוגיה חדשה
המדענים בדקו את גישת ה-PLC על מערכת זרז נחושת שהיא נושא פופולרי למחקר ופיתוח מכיוון שהיא יכולה להפוך מולקולות פחמן דו חמצני באטמוספירה לכימיקלים יקרי ערך המבוססים על פחמן כמו מתנול, אתנול ואצטון. עם זאת, יש צורך בהבנה מעמיקה יותר של זרזים להפחתת CO2 מבוססי נחושת כדי להנדס מערכות עמידות ולייצר ביעילות מוצר פחמן רצוי ולא מוצרים מחוץ למטרה.
משמאל, סכימה המראה את המרכיבים השונים של תא הנוזל הפולימרי (PLC) שהצוות פיתח. מימין, צילום של ה-PLC (העיגול הקטן המוחזק בפינצטה) ליד מתקן האחזקה התומך ב-PLC ומכניס אותו למיקרוסקופ אלקטרוני ההולכה. קרדיט: Thor Swift/Berkeley Lab
הצוות של ג'נג השתמש במיקרוסקופים רבי עוצמה במרכז הלאומי למיקרוסקופיה אלקטרונית, חלק מהיציקה המולקולרית של מעבדת ברקלי, כדי לחקור את האזור בתוך התגובה הנקראת ממשק מוצק-נוזל, שבו הזרז המוצק שיש דרכו זרם חשמלי פוגש את האלקטרוליט הנוזלי. מערכת הזרז שהם מכניסים לתא מורכבת מנחושת מוצקה עם אלקטרוליט של אשלגן ביקרבונט (KHCO3) במים. התא מורכב מפלטינה, תחמוצת אלומיניום וסרט פולימר דק במיוחד בגודל 10 ננומטר.
גילוי מנגנונים חדשים ברמה המולקולרית
באמצעות מיקרוסקופיה אלקטרונית, ספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיית אלקטרונים וספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרת אנרגיה, החוקרים לכדו תמונות ונתונים חסרי תקדים שחשפו טרנספורמציות בלתי צפויות בממשק מוצק-נוזל במהלך התגובה. הצוות ראה אטומי נחושת עוזבים את שלב המתכת המוצק והגבישי ומתערבבים עם אטומי פחמן, מימן וחמצן מהאלקטרוליט וה-CO2 ויוצרים מצב אמורפי משתנה בין פני השטח לאלקטרוליט, שאותו הם כינו "שלב בין אמורפי" מכיוון הוא לא מוצק ולא נוזלי. האינטרפאז האמורפי הזה נעלם שוב כאשר הזרם מפסיק לזרום, ורוב אטומי הנחושת חוזרים לסריג המוצק.
(משמאל) תמונות TEM באתר המציגות את המראה, התנועה וההיעלמות של האינטרפאז האמורפי (תכלת) בין זרז הנחושת המוצק (חום) והאלקטרוליט הנוזלי (אפור) בנקודות זמן שונות. החצים הכחולים הכהים מציינים כיוונים של תנועת הפאזה האמורפית. (מימין) תמונות TEM ברזולוציה גבוהה המציגות תצוגה מוגדלת של הדינמיקה האטומית של הזרז המתווכת על ידי האינטרפאז האמורפי במהלך תגובת האלקטרוצמצום הפחמן הדו-חמצני. נקודות אדומות מדגישות אטומי נחושת על משטח זרז נחושת מוצק. נקודות צהובות מדגישות אטומי נחושת עם תזוזות תוך התמרה לשלב האמורפי. חיצים אדומים מציינים את הצעד האטומי. חיצים צהובים מציינים את החספוס האטומי שנוצר. קרדיט: Zheng et al/Berkeley Lab
השלכות על עיצוב Catalyst ושיפור ביצועים
לדברי ג'אנג, ניתן יהיה למנף את הדינמיקה של השלב האמורפי בעתיד כדי להפוך את הזרז לסלקטיבי יותר עבור מוצרי פחמן ספציפיים. בנוסף, הבנת שלב הביניים תסייע למדענים להילחם בהידרדרות – המתרחשת על פני כל הזרזים לאורך זמן – לפתח מערכות עם אורך חיים תפעולי ארוך יותר.
"בעבר, אנשים הסתמכו על מבנה פני השטח הראשוני כדי לעצב את הזרז ליעילות ויציבות כאחד. הגילוי של האינטרפאז האמורפי מאתגר את ההבנה הקודמת שלנו לגבי ממשקי מוצק-נוזל, מה שמעורר צורך לשקול את השפעותיו בעת תכנון אסטרטגיות", אמר ג'אנג.
(משמאל לימין) פיטר ארסיוס, מדען צוות, המרכז הלאומי למיקרוסקופיה אלקטרונית (NCEM), חיימי ג'נג, מדען בכיר, המחלקה למדעי החומרים (MSD), קארן בוסטיו, מהנדסת מדעית, NCEM, וצ'יובו ג'אנג, חוקר פוסט-דוקטורט, MSD, צולם במיקרוסקופ באתר ThemIS ב-NCEM של היציקה המולקולרית. קרדיט: Thor Swift/Berkeley Lab
"במהלך התגובה, המבנה של האינטרפאז האמורפי משתנה ללא הרף, ומשפיע על הביצועים. לימוד הדינמיקה של ממשק מוצק-נוזל יכול לסייע בהבנת השינויים הללו, ולאפשר פיתוח אסטרטגיות מתאימות לשיפור ביצועי הזרז", הוסיף Zhigang Song, מחבר ראשון ומלומד פוסט-דוקטורט באוניברסיטת הרווארד.
יישומים פוטנציאליים ומחקר עתידי
ג'נג ועמיתיה נרגשים להשתמש ב-PLC על מגוון חומרים אלקטרוקטליטיים אחרים וכבר החלו בחקירת בעיות בסוללות ליתיום ואבץ. הצוות אופטימי שהתובנות שנחשפו על ידי TEM התומך ב-PLC יכולות להוביל לשיפורים בכל הטכנולוגיות המונעות על ידי אלקטרוכימיה.
