To er bedre end én:Enkeltatom dimer elektrokatalysator til grøn brintproduktion

Det begrænsede reservoir af fossile brændstoffer og de stadigt stigende trusler fra klimaændringer har tilskyndet forskere til at udvikle alternative teknologier til at producere miljøvenlige brændstoffer. Grøn brint genereret fra elektrolyse af vand ved hjælp af vedvarende elektricitet betragtes som en næste generations vedvarende energikilde for fremtiden. Men i virkeligheden opnås det overvældende flertal af brintbrændstof fra raffinering af fossile brændstoffer på grund af de høje omkostninger ved elektrolyse.

I øjeblikket er effektiviteten af ​​vandelektrolyse begrænset og kræver ofte høj cellespænding på grund af manglen på effektive elektrokatalysatorer til hydrogenudviklingsreaktioner. Ædelmetaller såsom platin (Pt) bruges som katalysatorer til at forbedre brintdannelse i både sure/alkaliske medier. Disse ædelmetalkatalysatorer er imidlertid meget dyre og viser dårlig stabilitet under langtidsdrift.

Enkeltatom-katalysatorer har fordele i forhold til deres nanomateriale-baserede modstykker, der opnår op til 100 procent atomudnyttelse, hvorimod kun overfladeatomerne af nanopartikler er tilgængelige for reaktion. Men på grund af enkelt-metal-atom-centrets enkelhed er det ret vanskeligt at udføre yderligere modifikation af katalysatorerne for at udføre komplekse flertrinsreaktioner.

Den enkleste måde at modificere de enkelte atomer på er ved at omdanne dem til enkelt-atom-dimerer, som kombinerer to forskellige enkeltatomer sammen. Tuning af det aktive sted for enkeltatomkatalysatorer med dimerer kan forbedre reaktionskinetikken takket være den synergistiske effekt mellem to forskellige atomer. Men mens syntesen og identifikationen af ​​enkeltatom-dimerstrukturen har været kendt konceptuelt, har dens praktiske realisering været meget vanskelig.

Dette problem blev løst af et forskerhold ledet af Associate Director LEE Hyoyoung fra Center for Integrated Nanostructure Physics inden for Institute for Basic Science (IBS) placeret på Sungkyunkwan University. IBS-forskerholdet udviklede med succes en atomisk dispergeret Ni-Co-dimerstruktur stabiliseret på en nitrogen-doteret kulstofbærer, som fik navnet NiCo-SAD-NC.

"Vi syntetiserede Ni-Co-enkeltatom-dimerstruktur på nitrogen (N)-doteret kulstofunderstøttelse via in-situ-indfangning af Ni/Co-ioner i polydopaminkuglen, efterfulgt af pyrolyse med præcist kontrolleret N-koordination. Vi anvendte state-of- den nyeste transmissionselektronmikroskopi og røntgenabsorptionsspektroskopi for at kunne identificere disse NiCo-SAD-steder med atompræcision," siger Ashwani Kumar, den første forfatter til undersøgelsen.

Forskerne fandt ud af, at udglødning i to timer ved 800°C i en argonatmosfære var den bedste betingelse for at opnå dimerstrukturen. Andre enkeltatom-dimerer, såsom CoMn og CoFe, kunne også syntetiseres ved hjælp af den samme metode, hvilket beviser, at deres strategi er generelt.

Forskerholdet evaluerede den katalytiske effektivitet af dette nye system i forhold til det overpotentiale, der kræves for at drive hydrogenudviklingsreaktionen. NiCo-SAD-NC elektrokatalysatoren havde et sammenligneligt niveau af overspænding som kommercielle Pt-baserede katalysatorer i sure og alkaliske medier. NiCo-SAD-NC udviste også otte gange højere aktivitet end Ni/Co enkeltatom-katalysatorer og heterogene NiCo-nanopartikler i alkaliske medier. Samtidig opnåede den 17 og 11 gange højere aktivitet end henholdsvis Co- og Ni-enkelatom-katalysatorer og 13 gange højere end konventionelle Ni/Co-nanopartikler i sure medier.

Derudover demonstrerede forskerne den langsigtede stabilitet af den nye katalysator, som var i stand til at drive reaktionen i 50 timer uden nogen ændring af strukturen. NiCo-SAD udviste overlegen vanddissociation og optimal protonadsorption sammenlignet med andre enkeltatom-dimerer og Ni/Co-enkeltatomsteder, hvilket øgede pH-universalkatalysatorens aktivitet baseret på densitetsfunktionelle teorisimulering.

"Vi var meget begejstrede for at opdage, at den nye NiCo-SAD-struktur dissocierer vandmolekyler med en meget lavere energibarriere og accelererer hydrogenudviklingsreaktionen i både alkaliske og sure medier med ydeevne sammenlignelig med Pt, som adresserede manglerne ved det individuelle Ni og Co-enkeltatom-katalysatorer. Syntesen af ​​en sådan enkeltatom-dimerstruktur var en langvarig udfordring inden for enkeltatom-katalysatorer," bemærker Associate Director Lee, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Han forklarer yderligere, "Denne undersøgelse tager os et skridt tættere på en kulstoffri og grøn brintøkonomi. Denne højeffektive og billige brintgenereringselektrokatalysator vil hjælpe os med at overvinde langsigtede udfordringer med omkostningskonkurrencedygtig grøn brintproduktion:at producere høj- ren brint til kommercielle anvendelser til en lav pris og på en miljøvenlig måde."

Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Communications . + Udforsk yderligere

En ny enkeltatom-katalysator kan producere brint fra urinstof med en exceptionel hastighed