Brintproduktion i et begrænset rum

National University of Singapore kemikere har udviklet en metode til at begrænse ædelmetal -nanopartikler i lagdelt, kvasi-todimensionale (2-D) materialer til effektiv brintproduktion.

Brint er et rent brændstof, der kan brændes i en brændselscelle for at producere energi med minimal indvirkning på miljøet. En metode til at producere brint er ved at bruge elektricitet til spildte vandmolekyler, i nærvær af en katalysator. NUS -forskere har udviklet en måde at skabe stabile og selektive katalysatorer, der kan bruges til effektiv brintproduktion. Deres metode indkapsler ædelmetal-nanopartikler i kvasi-2-D materialer ved en simpel in-situ reduktionsmetode. Dette er som at putte ingredienserne mellem stykker brød i en sandwich. Denne nye metode er en lettere måde at producere denne struktur på, undgå den kedelige eksfolieringsproces af 2-D nanosheets. Det lukkede rum inden for kvasi-2-D-lagene giver et velkontrolleret miljø for katalyse. Det forhindrer også større forurenende stoffer eller neutrale molekyler i at påvirke den katalytiske proces. I deres test, katalysatorerne viser fremragende aktivitet og langsigtet stabilitet, når de bruges til hydrogenproduktion.

Interface begrænsede reaktioner, som kan modulere binding af reaktanter til katalytiske centre og påvirke hastigheden af ​​massetransporten fra bulkopløsning, er fremstået som en levedygtig strategi til opnåelse af yderst stabil og selektiv katalyse. Imidlertid, indeslutning af nanopartikler i 2-D, lagdelte materialer er udfordrende på grund af den stærke van der Waals -kraft mellem tilstødende nanosheets. Konventionelle metoder, der er afhængige af diffusion af ionforstadier ved kapillarkraft, er ikke mulige at nå dette mål.

Prof LOH Kian Ping, sammen med sin ph.d. studerende CHEN Zhongxin, LENG Kai, ZHAO Xiaoxu, fra Institut for Kemi, NUS, anvendt en genial strategi baseret på in-situ-reduktion af ionforløbere til at indføre nanopartikler i værtsmaterialets indre rum. Væksten af ​​nanopartikler i et lukket rum resulterer i en mindre partikelstørrelse med forbedret katalytisk ydeevne. Dette forskningsgennembrud opnås i samarbejde med elektrokemiker, Prof YEO Boon Siang fra Institut for Kemi, NUS. Prof Yeo undersøgte reaktanternes anisotrope diffusionskinetik for at forklare disse katalysatorers fremragende langsigtede stabilitet.

I modsætning til andet forskningsarbejde på 2-D-katalysatorer, dette arbejde involverer ikke eksfoliering af 2-D nanosheets, hvilket er en kompliceret proces. I stedet, forskerne udnyttede meget reducerende, litierede værtsmaterialer (LixMoS2) til at reagere med ionforstadier. Dette giver en stærk drivkraft til at overvinde van der Waals interaktioner og omdanner kvasi-2-D materialer til et unikt, MoS2 | ædelmetaller | MoS2 sandwichstruktur (figur 1). Forskerne demonstrerede yderligere industriel skalerbarhed ved at fremstille og teste en 25 cm2 katalysatorbelastet vandspaltningsmembran. Dette er uden fortilfælde i nuværende 2-D forskning, som ofte er begrænset af størrelsen af ​​de eksfolierede flager og vanskeligheder med at spinne-belægge en kontinuerlig film. Den synergetiske vært-gæst-interaktion muliggør ultra-stabil, langsigtet drift af katalysatoren til brintproduktion. Det har også en reduceret metalbelastning sammenlignet med kommercielt tilgængelig katalysator. Dette nye begreb om indeslutning ved hjælp af 2-D materialer kan potentielt anvendes på mange andre katalytiske reaktioner, der involverer energirelaterede applikationer.