Att utnyttja förlorade atomer kan hjälpa till att skapa nya, aldrig tidigare sedda oxider

The Third Industrial Revolution: A Radical New Sharing Economy (Maj 2019).

Anonim

Att förstå hur material bildar och kombinerar med varandra är viktigt för att designa bättre energi-skördar och förvaringsanordningar. Nu har forskare direkt avbildat förlusten av ett enda lager av atomer i en fotokatalysator skapad genom att lägga två oxider. Teamet undersökte strukturen av ett enda lager och det för den slutliga kompositen, och fann att ett plan av atomer direkt vid materialgränsen förlorades under syntesprocessen. Teamet visade att utgångsmaterialets yta är instabil och kan dramatiskt omkonfigurera i kombination med ett andra lager.

"Dessa oväntade fynd öppnar dörren till ett helt nytt sätt att kontrollera oxider, " förklarar huvudförfattare Dr. Steven Spurgeon, Pacific Northwest National Laboratory.

Spurgeon och hans kollegor vid Pacific Northwest National Laboratory svarade en konstig gåta om beteendet hos ett material för att använda solljus och vatten för att skapa väte. Materialet genomgår en dynamisk omformning av atomer som den bildar. Denna ändring kan ge upphov till en oväntad gränssnittsstruktur och egenskaper. Med denna förståelse kan forskare designa sina syntesmetoder för att ta hänsyn till tillväxtdynamik och omstrukturering av atomer. Resultaten kan leda till mer exakt kontroll av egenskaper och prestanda hos viktiga energimaterial.

Framsteg i syntes och karakterisering har gjort det möjligt för forskare att tillverka material i många olika strukturer och kemikalier på nästan samma atomnivå. Det är dock fortfarande svårt att förutse hur två material kommer att interagera, eftersom många typer av defekter kan bildas mellan dem. Eftersom materialstrukturen direkt kontrollerar sina egenskaper är det viktigt för forskare att kunna exakt justera hur material bildar och kopplar till varandra. I denna studie granskade PNNL-forskare undersökningar av tunnfilm lantanjärnoxid och strontiumtitanoxid, LaFeO3 (LFO) respektive SrTiO3 (STO), för att producera en fotokatalysator för solvattenuppdelning.

Forskarna behandlade först STO-skiktet för att kapa det med antingen ett strontiumoxid (SrO) -plan eller ett titandioxid (TiO2) -plan, vilket de bekräftade med användning av röntgenfotoelektron-spektroskopi. De deponerade ett LFO-skikt ovanpå STO med användning av molekylärstrålesepitaxi och avbildade den resulterande strukturen med användning av scanningöverföringselektronmikroskopi och elektronenergi-förlustspektroskopi. Märkligt visade deras elektron-förlustspektroskopimätningar att båda proverna hade ett TiO2-gränssnittsplan och att SrO-skiktet hade gått saknas under syntesprocessen. Forskarna utförde täthetsfunktionella teoriberäkningar för olika atomkonfigurationer av gränssnittet och fann att SrO-skiktet var mindre stabilt än Ti02 och att det kunde gå förlorade genom att bilda syre-lediga platser. Denna studie illustrerar hur material bildas genom komplexa kinetiska vägar och genom att utnyttja dynamisk strukturell omläggning, kan det vara möjligt att tillverka nya, aldrig tidigare sedda material och egenskaper.

menu
menu