Defekter i nanopartikler hjælper med at drive produktionen af ​​brint, et rent brændende brændstof

Nanomaterialer, der fremskynder produktionen af ​​hydrogengas, er blevet skabt af A*STAR- og NTU -forskere. Dette arbejde kunne bidrage til at udvikle mere effektive teknologier til fremstilling af dette rene brændstof.

Når brint brænder, det producerer kun vand som et biprodukt, gør det til et attraktivt rent brændstof til køretøjer og andre energianvendelser. Imidlertid, det meste af verdens brint produceres i øjeblikket ved hjælp af fossile brændstoffer i en proces, der udsender store mængder af drivhusgassen kuldioxid.

Forskere ser således på at lave brint ved at splitte vand ved hjælp af elektricitet genereret af vedvarende kilder. Disse elektrolysesystemer anvender typisk elektroder, der indeholder katalysatorer, som fremskynder brintproduktion og reducerer mængden af ​​elektricitet, der er nødvendig for at drive brintudviklingsreaktionen - en af ​​de to reaktioner, der er involveret i spaltning af vand.

Nu, Yonghua Du fra A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, arbejder med Hua Zhangs gruppe ved Nanyang Technological University, har undersøgt nanomaterialers katalytiske evner baseret på rheniumsulfidselenid.

Forskerne fokuserede på en fase, der indeholder zigzagkæder af rheniumatomer mellem spændede lag af svovl og selen. De brugte et kemisk reagens til at indsætte lithium mellem disse atomlag. Tilsætning af vand udløste en reaktion, der spaltede prikker af materiale med kun 2 nanometer i størrelse.

Holdet testede derefter nanopartikler indeholdende varierende mængder svovl og selen. Materialet med lige store mængder svovl og selen havde den bedste katalytiske ydeevne, kræver den laveste spænding for at katalysere brintudviklingsreaktionen. Dette særlige materiale var også meget stabilt, viser ubetydeligt tab af ydelse, selv efter 20, 000 testcyklusser.

For at forstå oprindelsen til denne katalytiske aktivitet, Du's team brugte røntgenabsorptionsspektroskopi til at studere arrangementet af atomer i nanopartiklerne. De fandt ud af, at den proces, der blev brugt til at skabe nanopartiklerne, også kunne skabe defekter ved at slå svovlatomer ud af materialets struktur.

Zhangs gruppe udførte yderligere forsøg og teoretiske beregninger for at vise, at disse defekter forbedrede nanopartiklernes katalytiske aktivitet ved at lade en ladning bygge op på rheniumatomer ved siden af ​​stedet for det manglende svovl (se billede).

"Defektteknik har vist sig at være en af ​​de mest effektive måder at forbedre aktiviteten af ​​katalysatorer for elektrokatalytisk hydrogenudviklingsreaktion, og røntgenabsorptionsspektroskopi er en nøgleteknik til at opklare defekterne i nanomaterialer, "siger Zhang.

Forskerne siger, at denne tilgang til forståelse af katalytisk aktivitet skal hjælpe med design og syntese af andre højtydende elektrokatalysatorer.