Molybdæntellurid nanoplader muliggør selektiv elektrokemisk produktion af hydrogenperoxid

H ₂ O ₂ er en vigtig råvare kemisk og potentiel energibærer, og er meget udbredt til forskellige miljømæssige, medicinske og husholdningsapplikationer. På nuværende tidspunkt, omkring 99% af H ₂ O ₂ fremstilles ved en energikrævende anthraquinon-oxidationsproces. Dens centraliserede produktion producerer på denne måde stærkt koncentreret H ₂ O ₂ som ofte skal distribueres til og fortyndes på brugsstedet, medfører yderligere kompleksitet og udfordringer. Ud over, H ₂ O ₂ kan også fremstilles ud fra den direkte reaktion mellem H ₂ og O. ₂ i nærvær af Pd-baserede katalysatorer. Den potentielle eksplosionsfare ved denne tilgang, imidlertid, hindrer dens praktiske anvendelse.

Elektrokemisk iltreduktionsreaktion via en to-elektronbane repræsenterer en ny og decentraliseret strategi til at producere H ₂ O ₂ . Den er afhængig af udviklingen af ​​aktive og selektive elektrokatalysatorer. De state-of-the-art kandidater er Pt-Hg og Pd-Hg legeringer. På trods af deres relativt høje masseaktivitet og selektivitet i syrer, Det er usandsynligt, at disse ædelmetallegeringer vil blive brugt i stor skala på grund af deres uoverkommelige omkostninger og toksicitet (på grund af inklusion af Hg).

For nylig, kulstofbaserede materialer er dukket op og viser mærkbar aktivitet og selektivitet for H ₂ O ₂ produktion i alkalisk opløsning. Desværre, deres potentialer er også begrænsede, da H ₂ O ₂ udsættes for hurtig nedbrydning i et alkalisk medium. Til praktiske anvendelser, H ₂ O ₂ er mere udbredt i sure medier med stærkere oxidationsevne. Som resultat, det er yderst ønskeligt at forfølge højtydende elektrokatalysatorer til selektiv H ₂ O ₂ produktion i syrer.

I ny forskning offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere fra Soochow University (Suzhou, Kina), University of Chinese Academy of Sciences (Beijing, Kina), Nanjing Normal University (Nanjing, Kina) og Trinity College Dublin (Dublin, Irland) arbejdede sammen, og rapporterede for første gang, at molybdæntellurid (MoTe ₂ ) nanoflakes havde en bemærkelsesværdig præstation for H ₂ O ₂ produktion i syrer.

MoTe ₂ nanoflakes blev fremstillet via den veletablerede væskefase-eksfolieringsmetode fra bulk MoTe ₂ . Røntgendiffraktion og Raman-analyser viste, at produktet havde en hexagonal 2H-fase. Scanningselektronmikroskopi og transmissionselektronmikroskopi afslørede, at MoTe eksfolierede ₂ nanoflakes havde lateral størrelsesfordeling fra 50 til 350 nm. I øvrigt, forfatterne brugte aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi til at belyse MoTes atomare struktur ₂ nanoflakes, og observerede, at deres udsatte kanter, selvom det ikke er atomært skarpt, var for det meste langs zigzag-retningerne med rigelig binding af umættede Mo- og Te-steder.

Når de blev undersøgt som elektrokatalysatormaterialerne i O ₂ -mættet 0,5 M H ₂ SÅ ₄ løsning, MOTE ₂ nanoflakes blandet med grafen nanosheets udviste et positivt debutpotentiale på 0,56 V versus reversibel hydrogenelektrode og enestående H ₂ O ₂ selektivitet op til 93%. Masseaktiviteten blev også beregnet ved normalisering af den katalytiske strøm med hensyn til katalysatormassen. Forfatterne fandt ud af, at værdien lå i intervallet ~10-102 Ag ^-1 mellem 0,3-0,45 V for MoTe ₂ , hvilken, selvom de ikke er så gode som de avancerede Pt-Hg og Pd-Hg legeringer, var bedre end Au-legeringer og kulstofbaserede materialer.

Prof. Yanguang Li, der ledede de elektrokemiske eksperimenter, bemærkede, at "masseaktiviteten af ​​eksfolierede MoTe ₂ nanoark ved 0,4 V var 27 Ag ^-1 - ca. 7-10 gange større end Au-Pd-legeringer og N-doteret kulstof." Ud over dets imponerende aktivitet og selektivitet, MoTe ₂ nanoflakes udviste også anstændig stabilitet med ubetydeligt tab af ydeevne, selv efter den accelererede holdbarhedstest og ældningsforsøg natten over.

For at forstå det eksperimentelle resultat, forfatterne udførte densitetsfunktionsteoretiske beregninger for at simulere absorptionsenergierne af nøglereaktionsmellemprodukter på katalysatoroverfladen. De fandt ud af, at zigzag-kanten af ​​2H MoTe ₂ havde passende binding til HOO* og svag binding til O*, og vil derfor fremme reduktionen af ​​O ₂ til H ₂ O ₂ men forsinker dens yderligere reduktion til H ₂ O. Prof. Yafei Li, der ledede det teoretiske arbejde, sagde "MoTe ₂ var virkelig unik for sin evne til to-elektron iltreduktion, som ikke blev fundet i andre overgangsmetaldichalcogenider inklusive MoS ₂ og MoSe ₂ "

"Vores undersøgelse her afslørede det uventede potentiale ved MoTe ₂ nanoflakes som en ikke-ædelmetalbaseret elektrokatalysator til H ₂ O ₂ produktion i syrer, og kan åbne en ny vej mod katalysatordesignet for denne udfordrende elektrokemiske reaktion, " Prof. Yanguang Li kommenterede deres interessante opdagelse.