Des chercheurs de l'Université Rice ont examiné en profondeur les catalyseurs à épaisseur atomique qui produisent de l'hydrogène pour voir précisément d'où il vient. Leurs découvertes pourraient accélérer le développement de matériaux 2D pour des applications énergétiques, comme les piles à combustible.

Le laboratoire Rice du scientifique des matériaux Jun Lou, avec des collègues du Laboratoire national de Los Alamos, développé une technique pour sonder à travers de minuscules "fenêtres" créées par un faisceau d'électrons et mesurer l'activité catalytique du bisulfure de molybdène, un matériau bidimensionnel prometteur pour les applications utilisant l'électrocatalyse pour extraire l'hydrogène de l'eau.

Les premiers tests sur deux variantes du matériau ont prouvé que la majeure partie de la production provient des bords des feuilles minces. Les chercheurs ont publié leurs résultats ce mois-ci dans Matériaux avancés .

Les chercheurs savaient déjà que les bords des matériaux 2D sont là où se trouve l'action catalytique, donc toute information qui aide à la maximiser est précieuse, dit Lou.

"Nous utilisons cette nouvelle technologie pour identifier les sites actifs qui ont été longtemps prédits par la théorie, " il a dit. " Il y avait une preuve indirecte que les sites de bord sont toujours plus actifs que les plans basaux, mais maintenant nous en avons la preuve directe."

Les micropuces porteuses de sonde développées à Los Alamos et la méthode créée par Lou et l'auteur principal Jing Zhang, un chercheur postdoctoral Rice, ouvrir la voie à un criblage rapide des candidats potentiels à la réaction d'évolution de l'hydrogène parmi les matériaux bidimensionnels.

"La majorité de la matière est en surface, et vous voulez que ce soit un catalyseur actif, plutôt que juste le bord, " dit Lou. " Si la réaction ne se produit qu'au bord, vous perdez l'avantage d'avoir toute la surface fournie par une géométrie 2D."

Le laboratoire a testé des flocons de bisulfure de molybdène avec différentes structures cristallines connues sous le nom de "1T prime" (ou octaédrique déformé) et 2H (prigonal prismatique). "Ce sont essentiellement le même matériau avec la même composition chimique, mais les positions de leurs atomes sont différentes, " a dit Lou. " 1T premier est métallique et 2H est un semi-conducteur. "

Il a déclaré que les chercheurs ont jusqu'à présent prouvé expérimentalement que le premier 1T plus conducteur était catalytique sur toute sa surface, mais l'étude de Rice a prouvé que ce n'était pas tout à fait exact. "Nos résultats ont montré que le bord premier 1T est toujours plus actif que le plan basal. C'était une nouvelle découverte, " il a dit.

Après avoir fabriqué les flocons par dépôt chimique en phase vapeur, Zhang a utilisé une méthode d'évaporation par faisceau d'électrons pour déposer des électrodes sur des flocons individuels. Il a ensuite ajouté une couche isolante de poly(méthacrylate de méthyle), un thermoplastique transparent, et brûlé un motif de "fenêtres" dans le matériau inerte par lithographie par faisceau électronique. Cela a permis aux chercheurs de sonder à la fois les bords et les plans basaux du matériau 2D, ou juste des bords spécifiques, à une résolution submicronique.

Les 16 sondes de la puce d'un pouce carré construite à Los Alamos émettent de l'énergie dans les flocons à travers les fenêtres. Lorsque l'hydrogène est produit, il s'échappe sous forme de gaz mais vole un électron du matériau. Cela crée un courant qui peut être mesuré à travers les électrodes. Les sondes peuvent être adressées individuellement ou toutes à la fois, permettant aux chercheurs d'obtenir des données pour plusieurs sites sur un seul éclat ou à partir de plusieurs éclats.

Des tests rapides aideront les chercheurs à modifier plus efficacement leurs matériaux microscopiques pour maximiser l'activité catalytique des plans basaux. "Maintenant, il y a une incitation à utiliser la résistance de ce matériau - sa surface - comme catalyseur, " a déclaré Lou. " Cela va être une très bonne technique de criblage pour accélérer le développement de matériaux 2-D. "