Перед этим исследованием активные области этих катализаторов изучались в идеальных условиях, при очень низких температурах и давлениях, удаляя любую грязь и влагу, которые могли быть обнаружены в устройствах в обычных рабочих условиях. Стефано Фабрис, физик Международной школы перспективных исследований (SISSA) в Триесте и CNR-IOM Istituto Officina dei Materiali, и его коллеги, однако, хотели изучить систему в реальных условиях, в данном случае добавив тонкий слой воды на поверхность. катализатор.
Команда сделала несколько интересных открытий: похоже, влага, вместо того, чтобы делать процессы менее эффективными, дает атомам в пути «ускорение», что значительно повышает общую эффективность системы. Исследование, координируемое Фабрисом, было опубликовано в Журнале Американского химического общества.Работа Фабриса и его коллег основана на компьютерном моделировании. «Это немаловажный аспект, потому что традиционные экспериментальные методы не позволяют нам получить подробную информацию о том, что происходит на границе раздела между поверхностью катализатора и жидкостью, такой как вода. Таким образом, атомные слои, которые разделяют Твердое тело и вода остаются в значительной степени неизведанным миром, который так же трудно измерить, как ядро планеты », — объясняет Фабрис. «Условия давления и температуры препятствуют прямому наблюдению на экспериментальном уровне.
Поэтому мы должны найти другие способы исследования такого рода явлений, например, с помощью численного моделирования».Цепная реакция
Фабрис и его коллеги детально реконструировали физическую систему, именно там, где поверхность катализатора соприкасается с одним или несколькими слоями молекул воды, и наблюдали ее эволюцию в реальном времени. «Во-первых, мы заметили, что вода, контактирующая с катализатором, частично распадается на ионы водорода, или протоны, и ионы гидроксида (ОН-).Это не было полностью неожиданным, говорит Маттео Фарнези Камеллон, исследователь CNR-IOM (Istituto Officina dei Materiali) и первый автор работы, добавляя, что подобный эффект можно было представить априори. «Самое интересное происходит после этой поломки», — говорит Фарнези Камеллон.
Когда на поверхности имеется определенное количество протонов и гидроксид-ионов, возникает так называемая протонная цепочка: «своего рода игра в пинбол, в которой группы ОН-непрерывно передают свободный протон вперед и назад, связывая его и высвобождая». молекулы технологической воды непрерывно образуются и распадаются, в то время как протоны продолжают отскакивать и перемещаться по поверхности на большие расстояния ». Последствия для каталитического процесса положительны. «Все это движение помогает транспортировать молекулы между активными зонами материала. Мы измерили увеличение скорости переноса и высвобождения в несколько раз, эффективность катализатора фактически улучшилась».
«Это первый раз, когда катализатор изучается в присутствии воды. Наше исследование, помимо того, что показывает, что этому процессу способствует влажность, выходит за рамки подробного объяснения того, что происходит в материале, что является важным знанием для разработки лучших топливных элементов. "говорит Фабрис.