Guld nanoclusters kan forbedre den elektrokemiske vandopdeling for at producere brint

Efterhånden som energiefterspørgslen fortsætter med at stige, er forskning i nye, effektive vedvarende og rene energikilder en presserende prioritet. I øjeblikket udgør vedvarende energikilder som sol, vind, tidevand og geotermisk energi mindre end 40 % af det nuværende energibehov. At øge denne procentdel og reducere mængden af ​​anvendte fossile brændstoffer vil kræve andre, mere effektive vedvarende og rene energikilder.

Brint er et lovende alternativ, men det produceres i øjeblikket ved hjælp af dampreformering, som er ineffektivt og producerer CO₂ emissioner. Elektrokemisk vandopdeling, også kaldet vandelektrolyse, kan drage fordele af den elektricitet, der genereres fra vedvarende kilder, er en potentiel effektiv løsning til at producere brint.

Vandspaltning kræver en reaktion kaldet hydrogenudviklingsreaktion (HER), men de nanokatalysatorer, der er involveret i denne HER, har ikke ensartet størrelse, sammensætning, struktur eller kemisk koordinationsmiljø for at forbedre effektiviteten og fremme den reaktionsmekanistiske forståelse. Løsningen på dette problem kan ligge i atomisk præcise guld nanoclusters.

I en litteraturgennemgang offentliggjort i Polyoxometalates den 19. august opsummerer forskerne eksisterende arbejde, der studerer, hvordan guld-nanoklynger kan forbedre den katalytiske ydeevne og fremme HENDE.

"Det er ekstremt vanskeligt at opnå en modelkatalysator med absolut ensartet størrelse, bestemt geometrisk konfiguration og et veldefineret lokalt kemisk miljø på det anatomiske niveau for at etablere det utvetydige forhold mellem struktur og ydeevne på atomniveau. Atomisk præcise guldnanoclusters kan potentielt løses. disse problemer," sagde Zhenghua Tang, en forsker ved New Energy Research Institute ved South China University of Technology i Guangzhou, Kina. "Specifikt har guld nanoclusters vist ekstraordinære katalytiske egenskaber i forskellige organiske reaktioner og elektrokatalytiske reaktioner."

Guld nanocluster er unikt egnet til at være en katalysator for HENDE af flere grunde. I modsætning til andre nanokatalysatorer har guld nanocluster en præcis nanostruktur. Denne præcise struktur betyder, at alle guld-nanoklynger er ensartede i størrelse, sammensætning, morfologi og kemiske omgivelser.

Det er også nyttigt til at identificere de aktive steder for HER-katalyse. De rige kemiske reaktiviteter af guld nanoclusters muliggør både skræddersyning af metalkerner og overfladeligandkonstruktion. Metal kerne skræddersyet er, når et andet metal introduceres til guld nanocluster, som danner en guldlegering klynge. Introduktion af et andet metal kan give nye katalytiske egenskaber og skære ned på omkostningerne. I overfladeligandteknik kan overfladens kemiske miljø finjusteres for at eksponere flere aktive steder eller ændre strukturen af ​​nanoclusteren.

Endelig har guld nanoclusters andre strukturelle fordele, såsom størrelsen er ultralille, hvilket opfylder princippet om "small is precious" i katalyseområdet; morfologien kan indstilles og manipuleres; robust stabilitet med intakt struktur bevaret i forskellige reaktioner under milde forhold.

"De tilfælde, der præsenteres i denne gennemgang, viser tydeligt, at exceptionelle HER-katalytiske egenskaber ofte vises på grund af de tydelige fordele ved guldnanoklynger sammenlignet med guldnanopartikler. Der er dog helt sikkert udfordringer ved at bruge guldnanoklynger til HER-katalyse," sagde Tang.

Nogle af de almindelige udfordringer forbundet med guldnanoklynger er at finde en løsning på mængden af ​​guld, der kræves for at skalere brugen af ​​disse katalysatorer, problemer med, hvordan nanokatalysatorerne fungerer under barske forhold og unøjagtig teoretisk modellering.

Når man ser fremad, planlægger forskere, hvad de næste skridt i nanokatalysatorforskning skal være. Foreslåede veje omfatter test af anvendeligheden af ​​den guldklyngebaserede komposit til andre reaktioner koblet med HER og forbedring af den elektriske ledningsevne af den klyngebaserede kompositkatalysator.

"På grund af den hurtige udvikling af syntetiske teknikker og katalysevidenskab, forventer vi, at flere forskningsindsatser vil blive dedikeret til at bruge atomisk præcise metalnanoklynger som modelkatalysatorer for forskellige elektrokatalytiske reaktioner og videre," sagde Tang.

Flere oplysninger: Xin Zhu et al., Atomisk præcise Au nanoclusters for elektrokemisk hydrogenudviklingskatalyse:Fremskridt og perspektiver, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140031

Leveret af Tsinghua University Press