Kemiske sakse klipper 2-D overgangsmetal dichalcogenider til nanobånd

En af de største udfordringer med at gøre brintproduktion ren og billig har været at finde en alternativ katalysator, der er nødvendig for den kemiske reaktion, der producerer gassen, en, der er meget billigere og rigelig end den meget dyre og sjældne platin, der bruges i øjeblikket. Forskere i Korea har nu fundet en måde at 'klippe' i bittesmå nanobånd et billigt og rigeligt stof, der passer til regningen, øge dens katalytiske effektivitet til mindst platin.

Forskere har identificeret et potentielt katalysatoralternativ - og en innovativ måde at fremstille dem på ved hjælp af kemiske 'sakse' - som kunne gøre brintproduktion mere økonomisk.

Forskerholdet ledet af professor Sang Ouk Kim ved Institut for Materialevidenskab og Teknik udgav deres arbejde i Naturkommunikation .

Brint vil sandsynligvis spille en nøglerolle i den rene overgang væk fra fossile brændstoffer og andre processer, der producerer drivhusgasemissioner. Der er en lang række transportsektorer såsom langdistanceskibsfart og luftfart, der er svære at elektrificere og derfor vil kræve rent produceret brint som brændstof eller som råmateriale til andre kulstofneutrale syntetiske brændstoffer. Ligeledes, gødningsproduktionen og stålsektoren vil næppe blive "afkarboniseret" uden billig og ren brint.

Problemet er, at de langt billigste metoder til at producere brintgas i øjeblikket er fra naturgas, en proces, der selv producerer drivhusgassen kuldioxid - hvilket besejrer formålet.

Alternative teknikker til brintproduktion, elektrolyse ved hjælp af en elektrisk strøm mellem to elektroder, der er dykket ned i vand for at overvinde de kemiske bindinger, der holder vandet sammen, og derved opdele det i dets bestanddele, oxygen og brint er meget veletablerede. Men en af ​​de faktorer, der bidrager til de høje omkostninger, ud over at være ekstremt energikrævende, er behovet for det meget dyre ædle og relativt sjældne metal platin. Platinet bruges som en katalysator - et stof, der starter eller fremskynder en kemisk reaktion - i brintproduktionsprocessen.

Som resultat, forskere har længe været på jagt efter en erstatning for platin - en anden katalysator, der er rigeligt i jorden og dermed meget billigere.

Overgangsmetal dichalcogenider, eller TMD'er, i nanomaterialeform, har i nogen tid været betragtet som en god kandidat som katalysatorerstatning for platin. Disse er stoffer sammensat af et atom af et overgangsmetal (grundstofferne i den midterste del af det periodiske system) og to atomer af et kalkogen grundstof (grundstofferne i den tredje-til-sidste kolonne i det periodiske system, specielt svovl, selen og tellur).

Det, der gør TMD'er til et godt bud som platin-erstatning, er ikke bare, at de er meget mere rigelige, men også deres elektroner er struktureret på en måde, der giver elektroderne et boost.

Ud over, en TMD, der er et nanomateriale, er i det væsentlige et todimensionelt supertyndt ark, der kun er få atomer tykt, ligesom grafen. Den ultratynde natur af et 2-D TMD nanoark gør det muligt at eksponere mange flere TMD-molekyler under katalyseprocessen, end det ville være tilfældet i en blok af tingene, dermed starter og fremskynder den brint-dannende kemiske reaktion så meget mere.

Imidlertid, selv her er TMD-molekylerne kun reaktive ved de fire kanter af et nanoark. I det flade interiør, der sker ikke meget. For at øge den kemiske reaktionshastighed i produktionen af ​​brint, nanoarket skulle skæres i meget tynde - næsten endimensionelle strimler, derved skabes mange kanter.

Som svar, forskerholdet udviklede, hvad der i bund og grund er en kemisk saks, der kan klippe TMD i små strimler.

"Indtil nu, de eneste stoffer, som nogen har været i stand til at omdanne til disse 'nano-bånd', er grafen og phosphoren, " sagde Sang Professor Kim, en af ​​de forskere, der var med til at udtænke processen.

"Men de består begge af kun ét element, så det er ret ligetil. At finde ud af, hvordan man gør det for TMD, som er lavet af to elementer, ville være meget sværere."

'Saksen' omfatter en to-trins proces, der involverer først indsættelse af lithium-ioner i den lagdelte struktur af TMD-pladerne, og derefter ved hjælp af ultralyd til at forårsage en spontan 'udtrækning' i lige linjer.

"Det fungerer ligesom, når du flækker en planke af krydsfiner:den knækker let i én retning langs årerne, " Professor Kim fortsatte. "Det er faktisk meget enkelt."

Forskerne prøvede det derefter med forskellige typer TMD'er, inklusive dem, der er fremstillet af molybdæn, selen, svovl, tellur og wolfram. Alt fungerede lige godt, med en katalytisk effektivitet lige så effektiv som platin.

På grund af procedurens enkelhed, denne metode burde ikke kun kunne bruges i storskalaproduktion af TMD nanobånd, men også for at lave lignende nanobånd fra andre multi-elementære 2-D materialer til formål ud over blot brintproduktion.