Это явление было «совершенно неожиданным» и, возможно, найдет практическое применение, – говорит Ян Шао-Хорн, исследователь W.M. Кек профессор энергетики Массачусетского технологического института.
Она является старшим автором статьи с описанием исследования, которое публикуется в журнале Nature Materials. Ведущий автор статьи – Бинхонг Хан, доктор философии ’16, сейчас работает постдоком в Аргоннской национальной лаборатории.
Оксиды перовскита являются многообещающими кандидатами для множества применений, включая солнечные элементы, электроды в аккумуляторных батареях, устройства для разделения воды для производства водорода и кислорода, топливные элементы и датчики. Во многих из этих применений материалы будут подвергаться воздействию водяного пара, поэтому лучшее понимание их поведения в такой среде считается важным для облегчения разработки многих из их потенциальных приложений.
Как приготовление поленты Когда особый вид перовскита, известный как BSCF – после химических символов составляющих его бария, стронция, кобальта и железа – помещается в вакуум в просвечивающем электронном микроскопе (ТЕМ), чтобы наблюдать его поведение, Шао -Хорн говорит: «ничего не происходит, очень стабильно.«Но затем», когда вы закачиваете водяной пар низкого давления, вы начинаете видеть колебания оксида.«Причина этого колебания, четко видимого на изображениях ПЭМ, заключается в том, что« пузырьки образуются и сжимаются в оксиде. Это похоже на приготовление поленты, когда пузырьки образуются, а затем сжимаются."
Поведение было настолько неожиданным отчасти потому, что оксид твердый и не ожидалось, что он будет обладать гибкостью для образования растущих и сжимающихся пузырьков. «Это невероятно», – говорит Шао-Хорн. «Мы думаем о оксидах как о хрупких», но в этом случае пузырьки расширяются и сжимаются без разрушения материала. И в процессе образования пузырьков «мы фактически производим газообразный кислород», – говорит она.
Более того, можно точно настроить точную частоту колебаний, которые генерируются формирующимися и лопающимися пузырьками, что может быть полезной функцией для некоторых потенциальных приложений. «Величина и частота колебаний зависят от давления» пара в системе, – говорит Шао-Хорн. А поскольку это явление также зависит от наличия электронных лучей, реакцию можно включать и выключать по желанию, управляя этими лучами.
По ее словам, эффект – это не просто поверхностная реакция. Молекулы воды, которые ионизируются (электрически заряжаются) электронным лучом, фактически проникают глубоко в перовскит. «Эти ионы входят в объемный материал, поэтому мы видим колебания, идущие очень глубоко», – говорит она.
В этом эксперименте использовались уникальные возможности просвечивающего электронного микроскопа для окружающей среды в Брукхейвенской национальной лаборатории, входящей в состав U.S. Имеется объект, поддерживаемый Министерством энергетики. С помощью этого прибора исследователи непосредственно наблюдали взаимодействие между материалом перовскита, водяным паром и потоками электронов на атомном уровне.
Сохранение формы Несмотря на все пульсирующие движения и проникновение ионов внутрь твердого кристаллического материала и из него, когда реакция прекращается, материал «все еще имеет свою первоначальную структуру перовскита», – говорит Хан.
Поскольку это такое новое и интригующее открытие, говорит Шао-Хорн, «мы до сих пор не понимаем в полной мере», как именно происходят реакции, поэтому исследования продолжаются, чтобы прояснить механизмы. "Это неожиданный результат, который вызывает множество вопросов, требующих научного решения."
В то время как в первоначальных экспериментах использовались электронные лучи, Шао-Хорн задается вопросом, может ли такое поведение быть вызвано ярким светом, который может быть полезным подходом для расщепления и очистки воды – например, использование солнечного света для получения водородного топлива из воды или воды. вывести токсины из воды.
По ее словам, хотя большинство катализаторов стимулируют реакции только на своей поверхности, тот факт, что эта реакция проникает в основную массу материала, предполагает, что она может предложить новый механизм для конструкции катализаторов.