En ny enkeltatomskatalysator kan producere hydrogen fra urinstof i en usædvanlig hastighed

Mens brint er bredt foreslået som et alternativt brændstof med nul kulstofemission, Størstedelen af ​​kommerciel brintbrændstofproduktion stammer fra raffinering af fossile brændstoffer. Det begrænsede reservoir af fossile brændstoffer og deres negative indvirkning på miljøet har tilskyndet forskere til at udvikle alternative teknologier til at producere brintbrændstof gennem en miljøvenlig proces. Sådan "grønt brint" kan dannes ved elektrolyse af vand, som er rigelig i naturen, ved hjælp af elektricitet fra en vedvarende energikilde. Imidlertid, effektiviteten af ​​vandelektrolyse er signifikant begrænset på grund af den langsomme iltudviklingsreaktion (OER), som kræver en høj termodynamisk spænding på 1,23 V.

For at spare energi til brintproduktion, udskiftning af træg vandelektrolyse med ureaoxidationsreaktion (UOR) giver et stort løfte, på grund af termodynamisk gunstige (0,37 V, termodynamisk spænding) betingelser for urinstofelektrolyse. Der er en ekstra fordel ved at afbøde problemet med urinstofkontaminering, hvor omkring 2, 200 milliarder tons urinstabilt spildevand udledes hvert år i floden. Katalysatorer baseret på ædelmetaller, såsom platin (Pt) og rhodium (Rh), bruges til at øge hastigheden af ​​oxidationsprocessen. Imidlertid, disse ædelmetalkatalysatorer er meget dyre og viser dårlig ydeevne under lang tids drift.

For nylig, single-atom-katalysatorer (SAC'er) har vist enestående præstationer sammenlignet med nanomaterialebaserede modparter. Imidlertid, den lave metalbelastning ( <3 vægtprocent) af SAC'er, som er forårsaget af overfladeatomernes tendens til at migrere, udgør en alvorlig udfordring for en skalerbar applikation.

Ledet af associeret direktør LEE Hyoyoung fra Center for Integrated Nanostructure Physics inden for Institute for Basic Science (IBS) ved Sungkyunkwan University, IBS-forskerteamet udviklede en strategi for at opnå ultrahøj belastning af enkeltmetalatomsteder. Dette blev opnået ved at indføre overfladespænding på støttematerialet, hvilket muliggjorde exceptionel urinstofoxidation assisteret brintbrændstofproduktion.

"Vi brugte flydende kvælningsmetode til at generere trækbelastning på overfladen af ​​koboltoxid (Co ₃ O ₄ ). Den ultrahøje kølehastighed udvider gitterparameteren for den slukkede prøve på grund af termisk ekspansion, forårsager trækbelastning på oxidoverfladen. Den anstrengte overflade af Co ₃ O ₄ stabiliseret ~ 200% højere belastning af rhodium -enkeltatom (Rh _SA ; 6,6 vægtprocent masseindlæsning og 11,6 vægtprocent overfladebelastning) steder sammenlignet med det uberørte Co ₃ O ₄ overflade. Vi fandt ud af, at den anstrengte overflade kan øge migrationsenergibarrieren for Rh betydeligt _SA sammenlignet med den uberørte overflade, hæmmer deres migration og agglomerering, "siger ph.d. -kandidaten, Ashwani Kumar, undersøgelsens første forfatter.

"Vi var meget begejstrede for at opdage, at den høje belastning af Rh _SA stabiliseret på det anstrengte Co ₃ O ₄ overflade demonstrerede enestående UOR -aktivitet og stabilitet i både alkaliske og sure medier, hvilket var meget bedre end det kommercielle Pt/C og Rh/C. Denne overfladestamme -strategi inden for SAC'er er aldrig blevet rapporteret, før vores resultater, "bemærker associeret direktør Lee, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen. Forskerne fandt også ud af, at denne strategi for højbelastning af enkelt-atom-steder ikke kun var begrænset til rhodium. Ultrahøj belastning af andre ædelmetaller såsom platin, iridium, og ruthenium-baserede enkeltatom-steder blev også stabiliseret ved hjælp af den anstrengte overfladestrategi, hvilket giver grundlag for en mere generel anvendelse af denne opdagelse.

Forskergruppen vurderede den katalytiske effektivitet og den arbejdsspænding, der er nødvendig for urinstofoxidation ved hjælp af denne nye katalysator. Den avancerede katalysator (Rh _SA på anstrengt Co ₃ O ₄ ) krævede kun 1,28 V vs. reversibel hydrogenelektrode (RHE) for at opnå en strømtæthed på 10 mA (milliampere) pr. cm2 af elektroden, som var lavere end for de kommercielle Pt- og Rh -katalysatorers krav på 1,34 og 1,45 V, henholdsvis. Ud over, katalysatoren viste også langsigtet stabilitet i 100 timer uden nogen strukturændring. Gruppen brugte densitetsfunktionel teorisimulering til at undersøge oprindelsen til den nye katalysators ekstraordinære ydeevne, hvilket blev afsløret at skyldes overlegen urinstofsorption og stabilisering af CO*/NH* mellemprodukter. Desuden, elektrolysen af ​​urinstof sparede ~ 16,1% mere energi sammenlignet med vandelektrolyse til brintproduktion.

Associeret direktør Lee forklarer, "Denne undersøgelse giver en generel strategi til stabilisering af højbelastning af enkeltatom-steder til skalerbare applikationer, hvilket var et mangeårigt problem ved indgivelse af SAC'er. Ud over, denne undersøgelse tager os et skridt tættere på en kulstoffri og energibesparende brintøkonomi. Denne meget effektive ureaoxidationselektrokatalysator vil hjælpe os med at overvinde langsigtede udfordringer ved processen med raffinering af fossile brændstoffer:at producere hydrogen med høj renhed til kommercielle anvendelser til en lav pris og på en miljøvenlig måde. "

Undersøgelsen blev offentliggjort 30. september i Energi- og miljøvidenskab .