Udviklingen inden for katalysatorer med to atomer gør vedvarende energikilder mere effektive

Det hastigt voksende område for grøn energi søger konstant forbedringer, og de seneste fremskridt inden for dobbeltatom-katalysatorer rummer potentialet til at revolutionere energikonverteringsteknologier.

I jagten på bæredygtige alternativer til kulstofbaserede energikilder er behovet for hurtige, effektive og skalerbare teknologier afgørende. Vandopdelingssystemer (WWS'er), der er afhængige af solcelledrevne batterier, tilbyder en lovende løsning. Imidlertid begrænser de indviklede og langsomme reaktionstrin, der er iboende i WWS'er, deres skalerbarhed til udbredt brug.

Forskere fra Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology fra det kinesiske videnskabsakademi søgte et forbedret design for at øge hastigheden og stabiliteten af ​​de vigtigste halvreaktioner, der er nødvendige for, at WSS'er kan fungere på en høj kaliber:oxygenreduktionsreaktioner, oxygenudviklingsreaktioner og hydrogenudviklingsreaktioner.

Det viser sig, at katalysatorer med to atomer, der bygger bro mellem enkeltatomer og metal/legeringer nanopartikelkatalysatorer, giver flere muligheder for at forbedre kinetikken og den multifunktionelle ydeevne af oxygenreduktion/-udvikling og hydrogenudviklingsreaktioner.

Deres resultater blev offentliggjort i Nature Communications .

"Oxygenreduktion/-evolution og hydrogenudviklingsreaktioner er kernereaktionerne, der involverer multi-proton-elektron-koblingsprocesser, som er kinetisk langsomme, så det er presserende at udvikle effektive, stabile og billige elektrokatalytiske materialer for at forbedre deres konverteringseffektivitet." sagde Jiang Heqing, tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Dobbeltatomkatalysatorer (DAC'er), i modsætning til enkeltatomkatalysatorer (SAC'er), som kun har ét metalatom pr. aktivt sted, spiller en central rolle inden for energikatalyse på grund af deres fordelagtige multifunktionelle katalytiske aktivitet, højere atomudnyttelseseffektivitet, og mere effektiv afbrydelse af det lineære forhold med reaktionsmellemprodukter.

Desuden vil anvendelsen af ​​SAC'er til energikonverteringssystemer betydeligt begrænse energikonverteringseffektiviteten på grund af de højere reaktionsbarrierer.

DAC'er drager fordel af den synergistiske effekt mellem deres dobbelte metalatomer, hvilket muliggør effektiv modulering af samarbejdseffekter mellem dobbelte aktive steder og en væsentlig reduktion af de energibarrierer, der kræves for reaktionen.

Baseret på fordelene ved DAC'erne er det afgørende at udforske deres syntesemekanisme gennem højtemperatursintringsstrategier for at fremme deres forberedelse og lette kommercielle anvendelser.

"Vi rapporterede en ny forstøvnings-/sintringsstrategi til at syntetisere og justere konfigurationstilstandene for kobolt (Co) arter på atomniveau, fra nanopartikler til enkeltatomer til dobbeltatomer," sagde Huang Minghua, en anden forfatter og forsker, der har bidraget til undersøgelsen.

Forstøvnings-/sintringsstrategien involverer omdannelsen af ​​kobolt til nanopartikler (forstøvning), som derefter bruges til at danne et enkelt atom (SA) og dobbelt atom (DA) arter gennem sintringsprocessen.

Et af de mere imponerende træk ved denne strategi og resultaterne fra denne forskning er de anvendelser, forstøvning/sintring kan have for at lave 21 andre DAC'er. Alt dette er takket være at observere, hvordan disse DAC'er dannes via forstøvning/sintringsprocessen. Jo flere DAC'er der er, jo flere muligheder er der for at udforske andre måder at udnytte energien på en bæredygtig måde bedre.

Test af dual-atom Co₂s evner N₅ i zink-luft-batterier viste lovende resultater. Zn-air-batterierne havde en stabilitet på 800 timer og gav mulighed for kontinuerlig vandopdeling i 1.000 timer ad gangen, hvilket demonstrerer potentialet for uafbrudt drift selv om natten.

Arbejdet med DAC'er er i gang. "Denne universelle og skalerbare strategi giver muligheder for kontrolleret design af effektive multifunktionelle dual-atom katalysatorer i energikonverteringsteknologier," sagde Jiang Heqing.

Der kan foretages yderligere udviklinger for at fortsætte med at forbedre bimetalliske katalysatorers evner. Det kan også være lærerigt at se, hvordan de klarer sig under forskellige omstændigheder, såsom hvordan vandopdelingssystemet håndterer kolde temperaturer eller havvand. At placere disse systemer under ugunstige forhold kan fremhæve vanskeligheder, der skal løses, og som kan være en hindring for storstilet eller kommerciel brug.

Flere oplysninger: Xingkun Wang et al., Udvikling af en klasse af dobbeltatommaterialer til multifunktionelle katalytiske reaktioner, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42756-8

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Chinese Academy of Sciences