A caminho de um CO ₂ - economia neutra, precisamos aperfeiçoar toda uma gama de tecnologias, incluindo a extração eletroquímica de hidrogênio da água, células de combustível, ou captura de carbono. Todas essas tecnologias têm uma coisa em comum:elas só funcionam se forem usados ​​catalisadores adequados. Por muitos anos, pesquisadores, portanto, têm investigado quais materiais são mais adequados para esse propósito.

Na TU Wien e no Centro de Cometa para Eletroquímica e Tecnologia de Superfície CEST em Wiener Neustadt, uma combinação única de métodos de pesquisa está disponível para esse tipo de pesquisa. Juntos, os cientistas podem agora mostrar:procurar o catalisador perfeito não é apenas encontrar o material certo, mas também sobre sua orientação. Dependendo da direção em que um cristal é cortado e de quais de seus átomos ele apresenta para o mundo externo em sua superfície, seu comportamento pode mudar dramaticamente.

Eficiência ou estabilidade

"Para muitos processos importantes em eletroquímica, metais preciosos são frequentemente usados ​​como catalisadores, como óxido de irídio ou partículas de platina, "diz o Prof. Markus Valtiner do Instituto de Física Aplicada da TU Wien (IAP). Em muitos casos, estes são catalisadores com eficiência particularmente elevada. No entanto, há também outros pontos importantes a serem considerados:A estabilidade de um catalisador e a disponibilidade e reciclabilidade dos materiais. O material catalisador mais eficiente é de pouca utilidade se for um metal raro, se dissolve depois de um curto período de tempo, sofre alterações químicas ou se torna inutilizável por outros motivos.

Por esta razão, de outros, catalisadores mais sustentáveis ​​são de interesse, como óxido de zinco, embora sejam ainda menos eficazes. Ao combinar diferentes métodos de medição, agora é possível mostrar que a eficácia e a estabilidade de tais catalisadores podem ser significativamente melhoradas estudando como a superfície dos cristais do catalisador é estruturada em escala atômica.

Tudo depende da direção

Os cristais podem ter superfícies diferentes:"Vamos imaginar um cristal em forma de cubo que cortamos em dois, "diz Markus Valtiner." Podemos cortar o cubo direto no meio para criar dois cubóides. Ou podemos cortá-lo exatamente na diagonal, em um ângulo de 45 graus. As superfícies de corte que obtemos nesses dois casos são diferentes:átomos diferentes estão localizados a distâncias diferentes uns dos outros na superfície de corte. Portanto, essas superfícies também podem se comportar de maneira muito diferente em processos químicos ".

Os cristais de óxido de zinco não são em forma de cubo, mas formam hexágonos semelhantes a favo de mel - mas o mesmo princípio se aplica aqui, também:Suas propriedades dependem da disposição dos átomos na superfície. "Se você escolher exatamente o ângulo de superfície correto, buracos triangulares microscopicamente pequenos se formam lá, com um diâmetro de apenas alguns átomos, "diz Markus Valtiner." Os átomos de hidrogênio podem se ligar lá, ocorrem processos químicos que suportam a divisão da água, mas ao mesmo tempo estabiliza o próprio material ".

A equipe de pesquisa agora pode provar esta estabilização pela primeira vez:"Na superfície do catalisador, a água é dividida em hidrogênio e oxigênio. Enquanto esse processo está em andamento, podemos pegar amostras líquidas e examinar se elas contêm vestígios do catalisador, "explica Markus Valtiner." Para fazer isso, o líquido deve primeiro ser fortemente aquecido em um plasma e dividido em átomos individuais. Em seguida, separamos esses átomos em um espectrômetro de massa e os classificamos, elemento por elemento. Se o catalisador for estável, dificilmente devemos encontrar quaisquer átomos do material catalisador. De fato, não conseguimos detectar qualquer decomposição do material nas estruturas do triângulo atômico quando o hidrogênio foi produzido ". Esse efeito de estabilização é surpreendentemente forte - agora a equipe está trabalhando para tornar o óxido de zinco ainda mais eficiente e transferir o princípio físico dessa estabilização para outros materiais .

Oportunidades únicas de pesquisa para a transformação do sistema de energia

Estruturas de superfície atômica têm sido estudadas na TU Wien por muitos anos. "Em nosso instituto, essas estruturas triangulares foram demonstradas e explicadas teoricamente anos atrás, e agora somos os primeiros a demonstrar sua importância para a eletroquímica, "diz Markus Valtiner." Isso ocorre porque estamos na situação única aqui de sermos capazes de combinar todas as etapas de pesquisa necessárias sob o mesmo teto - desde a preparação da amostra até a simulação em supercomputadores, de microscopia em ultra-alto vácuo a testes práticos em ambientes realistas. "

"Esta colaboração de diferentes especialidades sob o mesmo teto é única, e nossa grande vantagem de ser um líder global em pesquisa e ensino neste campo, "diz Carina Brunnhofer, aluno do IAP.

"Nos próximos dez anos, iremos desenvolver sistemas estáveis ​​e comercialmente viáveis ​​para separação de água e CO ₂ redução com base em desenvolvimentos metodológicos e uma compreensão fundamental da química e física de superfície, "diz Dominik Dworschak, o primeiro autor do estudo publicado recentemente. "Contudo, pelo menos uma duplicação sustentável da produção de energia atual deve ser alcançada em paralelo, "Markus Valtiner observa." Estamos, portanto, em um caminho emocionante, em que só atingiremos nossas metas climáticas por meio de pesquisa e desenvolvimento intersetorial.