Hydrofoob, -fiel, … nee, toch -foob

De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Catalysis.

De katalysatoren die worden gebruikt voor de elektrolyse van water zijn metaaloxiden, waarvan sommige beter werken dan andere, hoewel de exacte reden onbekend is. "We hebben kunnen zien dat tijdens de elektrolyse van water sommige oxiden bijzonder effectief, robuust en stabiel zijn", zegt universitair docent Vasiliki Tileli. "Maar we kunnen niet echt verklaren waarom, omdat we niet precies weten wat er met de katalysator gebeurt tijdens de reactie."

Om dit te achterhalen, observeerden Tileli en PhD-student Tzu-Hsien Shen waterelektrolysereacties onder een elektronenmicroscoop, waarbij ze onderzochten hoe de katalysator zich tijdens het hele proces gedraagt ​​door afbeeldingen op nanoscopische schaal te genereren. Ze gebruikten een oxidekatalysator van het perovskiet-type, BSCF genaamd. "Het is een intrigerende katalysator met uitzonderlijke watersplitsende eigenschappen", zegt Tileli. "De meeste van de katalysatoren die momenteel in gebruik zijn, zoals die gemaakt van iridium en ruthenium, zijn effectief maar erg duur en hun aanbod is beperkt. Er zullen uiteindelijk alternatieven moeten worden gevonden."

Tileli en Shen hebben tijdens elke stap van de elektrolysecyclus realtime beelden van BSCF-deeltjes vastgelegd. Ze zagen moleculaire zuurstof verschijnen, wat betekent dat de reactie plaatsvond, en bevestigden dat het proces omkeerbaar was. Ze zagen ook dat BSCF bijzonder robuust is.

Bovendien ontdekte het onderzoeksteam dat de oppervlakte-atomen van de deeltjes zich tijdens de reactie herverdelen, waardoor de oppervlakte-eigenschappen veranderen. Als gevolg hiervan gaan de deeltjes in verschillende stappen in de elektrolysecyclus op verschillende manieren in wisselwerking met hun omgeving. Het oppervlak is tijdens sommige stappen hydrofoob, terwijl het tijdens andere hydrofiel is. "Deze waarnemingen zijn uniek", zegt Tileli. "We vermoedden dat het deeltjesoppervlak zou kunnen veranderen, maar dit was nog nooit eerder op nanoscopische schaal en in realtime waargenomen."

Het vermogen van een materiaal om heen en weer te schakelen tussen de hydrofobe en hydrofiele toestand is zeer waardevol voor ingenieurs en kan worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, zoals sensoren, waterzuiveringssystemen en zelfreinigende oppervlakken.