Forskere låser op for vital indsigt i metal-nitrogen-kulstof-katalysatorers reaktionsmekanisme

Et team af forskere har gjort betydelige fremskridt i forståelsen af ​​metal-nitrogen-carbon (M-N-C) katalysatorer og tilbyder alternativer til dyre platin-gruppe-metal (PGM) katalysatorer og en vej til en grønnere fremtid.

Detaljer om deres resultater blev offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A den 1. maj 2024.

Brint, kendt som "fremtidens brændstof", giver adskillige fordele i overgangen til en kulstoffattig økonomi. Dens alsidighed giver mulighed for anvendelser på tværs af flere sektorer, herunder transport, hvor brintbrændselsceller kan drive køretøjer og derved reducere drivhusgasemissioner og afbøde klimaændringer. Der er dog stadig betydelige udfordringer inden for iltelektrokatalyse, hvilket hindrer udviklingen af ​​storstilede teknikker til brintproduktion og -brug baseret på grøn elektricitet.

En af de mangeårige udfordringer er afhængigheden af ​​dyre PGM-katalysatorer til at drive oxygenelektrokatalyse. Som svar på disse udfordringer har forskere henvendt sig til M-N-C-katalysatorer som et lovende alternativ.

Rapporter over det sidste årti har vist, at M-N-C-katalysatorer, doteret med jordrige metalelementer som 3d-metaller, tilbyder alsidig ydeevne i oxygenelektrokatalyse, nogle kan sammenlignes med PGM-katalysatorer. Alligevel mangler den nøjagtige mekanik bag deres elektrokatalytiske aktiviteter; nøglefaktorer såsom potentialet for nulladning (PZC) og solvatiseringseffekter er blevet overset i tidligere undersøgelser.

• ).

• ).

"Vi er på et kritisk punkt inden for bæredygtige energiteknologier," siger Di Zhang, en assisterende professor ved Advanced Institute for Materials Research ved Tohoku University og medforfatter af papiret. "Forståelse af de faktorer, der påvirker M-N-C-katalysatorers ydeevne er afgørende for innovation inden for brintgenerering og -brug."

Zhang og hans kolleger afslørede, at PZC'er og solvatiseringseffekter spiller en central rolle i pH-afhængige aktiviteter, hvilket i væsentlig grad påvirker reaktionsenergien.

Ved at udføre storskala prøvetagning via ab initio molekylær dynamik og tæthedsfunktionel teoriberegninger analyserede forskerne tolv forskellige M-N-C-konfigurationer med eksplicitte solvationsmodeller. De observerede betydelige variationer i PZC'er og solvatiseringseffekter baseret på katalysatorstrukturer, metaltyper og nitrogenkonfigurationer.

"Vores resultater understreger vigtigheden af ​​at overveje PZC og solvatiseringseffekter i mikrokinetisk modellering," tilføjer Zhang. "Denne viden er afgørende for det rationelle design af højtydende M-N-C-katalysatorer, der accelererer udviklingen af ​​bæredygtige brintteknologier."

Flere oplysninger: Di Zhang et al., Potentialet for nulladning og solvatiseringseffekter på enkeltatomede M-N-C-katalysatorer til oxygenelektrokatalyse, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA02285H

Journaloplysninger: Journal of Materials Chemistry A

Leveret af Tohoku University