Atomindstilling på kobolt muliggør en ottedobbelt stigning i hydrogenperoxidproduktionen

IBS -forskere og deres kolleger har for nylig rapporteret om en ultimativ elektrokatalysator, der løser alle de problemer, der generer H ₂ O ₂ produktion. Denne nye katalysator omfattende den optimale Co-N ₄ molekyler inkorporeret i nitrogendoperet grafen, Co ₁ -NG (O), udviser en rekordhøj elektrokatalytisk reaktivitet, producerer op til 8 gange højere end mængden af ​​H ₂ O ₂ der kan genereres fra temmelig dyre ædelmetalbaserede elektrokatalysatorer.

Ligesom vi tager et brusebad for at vaske snavs og andre partikler væk, halvledere kræver også en rengøringsproces. Imidlertid, dens rengøring går til yderligheder for at sikre, at selv sporforurenende stoffer "ikke efterlader spor." Efter at alle chipfremstillingsmaterialerne er påført en siliciumskive, der foretages en streng rengøringsproces for at fjerne restpartikler. Hvis dette trin med høj renhed og fjernelse af partikler går galt, elektriske forbindelser i chippen vil sandsynligvis lide under den. Med stadig miniaturiserede gadgets på markedet, elektronikindustriens renhedsstandarder når et niveau, der svarer til at finde en nål i en ørken.

Det forklarer, hvorfor hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ ), et stort elektronisk rengøringsmiddel, er en af ​​de mest værdifulde kemiske råvarer, der understøtter chipfremstillingsindustrien. På trods af den stadigt voksende betydning af H ₂ O ₂ , dets industri er blevet efterladt med en energiintensiv og flertrinsmetode kendt som anthraquinonprocessen. Dette er en miljøvenlig proces, der involverer hydrogeneringstrinnet under anvendelse af dyre palladiumkatalysatorer. Alternativt kan H ₂ O ₂ kan syntetiseres direkte fra H ₂ og O. ₂ gas, selvom reaktiviteten stadig er meget dårlig, og det kræver højt tryk. En anden miljøvenlig metode er at elektrokemisk reducere ilt til H ₂ O ₂ en via 2-elektronvej. For nylig, ædelmetalbaserede elektrokatalysatorer (f.eks. Au-Pd, Pt-Hg, og Pd-Hg) har vist sig at vise H ₂ O ₂ produktivitet, selvom sådanne dyre investeringer har oplevet lave afkast, der ikke opfylder de skalerbare industribehov.

Forskere ved Center for Nanopartikelforskning (ledet af direktør Taeghwan Hyeon og vicedirektør Yung-Eun Sung) inden for Institute for Basic Science (IBS) i samarbejde med professor Jong Suk Yoo ved University of Seoul rapporterer for nylig om en ultimativ elektrokatalysator, der henvender sig til alle af de spørgsmål, der hindrer H ₂ O ₂ produktion. Denne nye katalysator omfattende den optimale Co-N ₄ molekyler inkorporeret i nitrogendoperet grafen, Co ₁ -NG (O), udviser en rekordhøj elektrokatalytisk reaktivitet, producerer op til 8 gange mere H ₂ O ₂ end der kan genereres fra relativt dyre ædelmetalbaserede elektrokatalysatorer (f.eks. Pt, Au-Pd, Pt-Hg og så videre). De syntetiserede katalysatorer er fremstillet af element mindst 2000 gange billigere (Co, N, C, og O) end den konventionelle palladiumkatalysator, og de er usædvanligt stabile uden aktivitetstab over 110 timers H ₂ O ₂ produktion.

Typisk involverende forskellige faser af katalysatorer (normalt faste) og reaktanter (gas), heterogene katalysatorer udnyttes bredt i mange vigtige industrielle processer. Stadig, deres katalytiske egenskab menes kun at blive kontrolleret ved at ændre de bestanddele. I dette studie, forskerne verificerede, at de kan fremkalde en specifik interaktion på heterogene katalysatorer ved at finjustere de lokale atomkonfigurationer af elementerne, som det ses i enzymkatalysatorer (figur 2). Direktør Hyeon, den tilsvarende forfatter til undersøgelsesnotaterne, "denne undersøgelse viste med succes muligheden for at kontrollere en katalytisk egenskab ved at indstille atomkompositioner. Dette fund kan bringe os tættere på at opdage de grundlæggende egenskaber ved katalytiske aktiviteter."

Baseret på teoretisk analyse, det blev verificeret, at ladningstætheden af ​​et koboltatom på nitrogendoperet grafen er stærkt afhængig af koordinationsstrukturen omkring koboltatomet. Derfor, forskerne kunne kontrollere elektrontætheden af ​​koboltatomer ved at indføre enten elektronrige eller elektronfattige arter som ilt eller hydrogenatomer. Når der er elektronrige iltatomer i nærheden, Co-atomer bliver elektronmangel. På den anden side, når et elektronrig hydrogenatom er i nærheden, den modsatte tendens blev fundet (hvilket ville generere elektronrige Co-atomer). Meget interessant, elektrontætheden af ​​Co -atomer var kritisk for den elektrokemiske H ₂ O ₂ produktion.

Næste, forskerne designede den optimale koboltatomstruktur (Co ₁ -N ₄ (O)) ved at have alle de krævede betingelser, såsom præcist valg af element, syntesetemperatur og forskellige forsøgsbetingelser opfyldt. Kombination af teoretiske simuleringer og nanomaterialesynteseteknologier, forskerne var i stand til at kontrollere den katalytiske egenskab i atompræcision. Med elektronfattige Co-atomer (Co ₁ -NG (O)), de var i stand til at producere H ₂ O ₂ med betydeligt høj aktivitet og stabilitet, langt overgår de state-of-the-art ædelmetalkatalysatorer. Omvendt elektronrige Co-atomer udviste en høj reaktivitet for 4-elektron oxygen-reduktion reaktion på H2O-dannelse, som kan findes nyttig til brændselscelle applikationer.

Overraskende, 341,2 kg H ₂ O ₂ kan fremstilles inden for 1 dag ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk ved hjælp af 1 kg Co1-NG (O) katalysator. Denne mængde H ₂ O ₂ er op til 8 gange højere mængden af ​​H ₂ O ₂ fremstillet af de state-of-the-art ædelmetalkatalysatorer (figur 3). Co ₁ -N ₄ (O)) er en katalysator, der tillader billige, effektiv, og miljøvenlig produktion af H ₂ O ₂ .

Professor Sung, siger den tilsvarende forfatter, "For første gang, vi fandt ud af, at heterogene katalysatorers katalytiske egenskab kan finjusteres med atompræcision. Dette hidtil usete resultat vil hjælpe os med at forstå tidligere ukendte aspekter af elektrokemisk H ₂ O ₂ produktion. Med denne viden, vi kunne designe en skalerbar katalysator, der udelukkende består af jord-rigelige elementer (Co, N, C, og O). "

Undersøgelsen er offentliggjort i Naturmaterialer .