A Dynamic Surface Metal-Organic Framework Electrocatalyst
Miło nam poinformować o sukcesie naukowców z naszego Wydziału, którzy w ramach międzynarodowego zespołu badawczego wykazali, jak powierzchniowa sieć metaloorganiczna przebudowuje się podczas pracy, tworząc miejsca sprzyjające wydzielaniu wodoru. Kluczowe znaczenie miały obserwacje prowadzone elektrochemicznym skaningowym mikroskopem tunelowym (EC-STM) w Instytucie Fizyki Doświadczalnej UWr.
Badania ukazały sie w publikacji autorów Paulina Wira i in. pod tytułem A Dynamic Surface Metal-Organic Framework Electrocatalyst: Potential-Driven Activation of Atomically Defined Au Sites for the Hydrogen Evolution Reaction, Small (2026). Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Small”.
Grafikę ilustrującą badania zamieszczono na tylnej okładce numeru, w którym ukazał się artykuł. Autorem grafiki jest dr Tomasz Kosmala, prof. UWr.
Źródło tekstu: UWr, źródło ilustracji: Small
Zielony wodór, wytwarzany przez rozkład wody przy użyciu energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, może służyć do magazynowania energii ze słońca i wiatru oraz ograniczania wykorzystania paliw kopalnych w przemyśle. Jednym z wyzwań jest jednak ograniczenie strat energii podczas jego produkcji. Pomagają w tym elektrokatalizatory — materiały ułatwiające przebieg reakcji na elektrodach. Aby projektować skuteczniejsze katalizatory, trzeba zrozumieć, co dzieje się na ich powierzchni podczas pracy. Właśnie temu zagadnieniu poświęcone są badania z udziałem wrocławskich fizyków.
Pierwszą autorką artykułu jest Paulina Wira, doktorantka w IFD UWr, która wraz z Leonardem Cielo, doktorantem z Uniwersytetu w Padwie, wniosła równorzędny wkład w pracę. Jednym z autorów korespondencyjnych jest dr Tomasz Kosmala, prof. UWr, a współautorem — dr Rafał Lewandków. Wrocławscy badacze reprezentują Zespół Badawczy Nanomateriałów i Interfejsów Elektrochemicznych, kierowany przez Tomasza Kosmalę. Publikacja powstała we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu w Padwie, Uniwersytetu Stanforda oraz Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.
Badany materiał to powierzchniowa sieć metaliczno-organiczna, określana skrótem SMOF. Tworzą ją cząsteczki organiczne połączone atomami złota, pobieranymi bezpośrednio z powierzchni elektrody. Początkowo układają się one w uporządkowane łańcuchy. Badania ujawniły jednak, że pod wpływem przyłożonego potencjału struktura staje się dynamiczna: łańcuchy częściowo się rozłączają, a ich fragmenty zyskują swobodę ruchu na powierzchni elektrody. Jednocześnie atomy złota są pobierane z podłoża, włączane do sieci i ponownie uwalniane, co prowadzi do przebudowy powierzchni.
Właśnie ta przebudowa jest kluczem do zrozumienia zwiększonej aktywności katalizatora. Powstają nowe zakończenia łańcuchów i defekty powierzchni. Obliczenia teoretyczne pokazały, że atomy złota na zakończeniach łańcuchów i w sąsiedztwie defektów powierzchni wiążą wodór z energią bliską optymalnej dla reakcji jego wydzielania. Zestawienie tych wyników z badaniami eksperymentalnymi pozwoliło wyjaśnić, dlaczego zmodyfikowana powierzchnia skuteczniej wspomaga reakcję wydzielania wodoru niż samo podłoże złota.
Uchwycenie tego mechanizmu było możliwe dzięki obserwacjom powierzchni materiału bezpośrednio podczas katalizy. Obrazy wykonane wyłącznie przed reakcją i po jej zakończeniu mogą nie ujawnić przemian odpowiedzialnych za aktywność. Wykorzystywany w IFD UWr mikroskop EC-STM umożliwia śledzenie tych zmian w roztworze, przy kontrolowanym potencjale elektrody, z rozdzielczością molekularną. Takie pomiary, określane jako operando, pozwalają powiązać przebudowę powierzchni z aktywnością katalizatora. Praca wpisuje się w ważny kierunek współczesnych badań nad elektrokatalizą: poznawanie katalizatorów bezpośrednio podczas ich działania. Ich aktywna struktura może powstawać dopiero w warunkach reakcji, dlatego jej zrozumienie wymaga zaawansowanych technik badawczych, zdolnych uchwycić przemiany zachodzące na powierzchni. Połączenie tej wiedzy z modelowaniem teoretycznym daje podstawy do projektowania materiałów z uwzględnieniem przemian, jakim będą podlegać podczas użytkowania.
Badania były finansowane m.in. ze środków Narodowego Centrum Nauki w ramach projektu „Badania w skali atomowej i w czasie rzeczywistym materiałów 2D do magazynowania i konwersji energii” — SONATA 17, nr 2021/43/D/ST3/02873 — kierowanego przez dr. Tomasza Kosmalę, prof. UWr.
