Forskere opnår gennembrud inden for højeffektiv elektrokatalysator til ren energi

Et forskerhold ledet af City University of Hong Kong (CityU) har opnået et banebrydende fremskridt inden for nanomaterialer ved med succes at udvikle en højeffektiv elektrokatalysator, som kan øge produktionen af ​​brint betydeligt gennem elektrokemisk vandspaltning.

Dette gennembrud har et stort anvendelsespotentiale for industrien for ren energi.

Professor Zhang Hua, Herman Hu Chair-professor i nanomaterialer ved CityU, og hans team har udviklet en elektrokatalysator ved at bruge overgangsmetal dichalcogenid (TMD) nanoplader med ukonventionelle krystalfaser som understøtninger. Elektrokatalysatoren udviser overlegen aktivitet og fremragende stabilitet i elektrokatalytisk hydrogenudviklingsreaktion i sure medier.

"Vores forskningsresultater er væsentlige i den forstand, at brinten, der genereres ved elektrokemisk vandspaltning, betragtes som en af ​​de mest lovende rene energier til at erstatte fossile brændstoffer i den nærmeste fremtid, hvilket reducerer miljøforureningen og drivhuseffekten," sagde professor Zhang.

Denne vigtige opdagelse er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nature med titlen "Faseafhængig vækst af Pt på MoS₂ til højeffektiv H₂ evolution."

Professor Zhang sagde, at nøglen til forskningen i elektrokatalytisk vandopdeling er at udvikle højeffektive og stabile katalysatorer. Det er af stor betydning at vælge en passende støtte til at forbedre aktiviteten og stabiliteten af ​​katalysatorer under processen.

Som et spirende todimensionelt (2D) materiale har TMD nanoark været af stor interesse blandt forskere på grund af deres unikke fysiske og kemiske egenskaber.

Det har vist sig, at fase er en ekstremt vigtig faktor, der bestemmer egenskaberne og funktionerne af TMD nanoark. For eksempel molybdændisulfid (MoS₂ ) med den konventionelle 2H-fase udviser en halvlederegenskab, mens MoS₂ med ukonventionel 1T- eller 1T′-fase viser metallisk eller semi-metallisk egenskab og har således god ledningsevne.

Imidlertid er produktionen af ​​ukonventionelle fase TMD nanoark med høj faserenhed og høj kvalitet fortsat udfordrende. Forskningen i TMD-krystalfasens effekt på væksten af ​​andre materialer er stadig på et tidligt stadium.

I de senere år har professor Zhangs forskerhold udviklet en række nye metoder, såsom fast-gas-reaktioner og salt-assisteret syntese, og har med succes udarbejdet en række højfaserenhed og højkvalitets TMD-krystalmaterialer med ukonventionelle 1T′ fase.

På grund af deres unikke semi-metalliske egenskaber har disse nanomaterialer et stort potentiale i applikationer inden for optoelektroniske enheder, katalyse, energilagring og superledning.

I denne forskning udviklede holdet med succes en ny metode til at forberede TMD nanoark med ukonventionelle faser. De undersøgte også den krystalfaseafhængige vækst af ædelmetaller på 1T′-TMD og 2H-TMD nanoplader.

De fandt ud af, at brug af den konventionelle 2H-TMD som skabelon letter den epitaksielle vækst af platin (Pt) nanopartikler, hvorimod den ukonventionelle 1T′-TMD skabelon understøtter enkeltatomisk dispergerede Pt-atomer (s-Pt). Baseret på disse resultater udviklede holdet de enkeltatomisk dispergerede Pt-atomer/1T′-fase molybdændisulfid (s-Pt/1T′-MoS₂ ) katalysator.

For at overvinde massetransportbegrænsningen af ​​Pt-baserede katalysatorer i elektrokatalytiske hydrogenudviklingsreaktioner i sure medier, har holdet vedtaget en avanceret flydende elektrodeteknologi til test.

Deres eksperimentelle resultater viste, at s-Pt/1T′-MoS₂ katalysator udviste en høj masseaktivitet på 85±23 A mg_Pt ^-1 ved et overpotentiale på -50 mV og en massenormaliseret udvekslingsstrømtæthed (127 A mg_Pt ^-1 ). Desuden kan katalysatoren arbejde stabilt i 500 timer i en vandelektrolysator med protonudvekslingsmembran, hvilket viser lovende anvendelsespotentiale.

Holdet undersøgte systematisk den faseafhængige vækst af ædelmetaller på 1T′-TMD og 2H-TMD nanoplader og demonstrerede, at 1T′-TMD nanoplader kan være effektive understøtninger til katalysatorer.

"Den syntetiserede nye elektrokatalysator udviser overlegen aktivitet og fremragende stabilitet i elektrokatalytisk hydrogenudviklingsreaktion i sure medier, og den vil spille en ekstremt vigtig rolle i udviklingen af ​​ren energi i fremtiden," siger Dr. Shi Zhenyu, postdoc ved Institut for Kemi og papirets første forfatter.

Resultaterne har udvidet omfanget af "Phase Engineering of Nanomaterials" (PEN), hvilket baner en ny vej for design og syntese af højeffektive katalysatorer. Professor Zhang sagde, at holdet i fremtiden vil fortsætte forskningen i 1T′-TMD-baseret katalysator og dens muligheder i industriel anvendelse for at bidrage til ren energi og bæredygtig udvikling.

De tilsvarende forfattere er professor Zhang og professor Anthony R. J. Kucernak fra Institut for Kemi, Imperial College London. Dette forskningsprojekt samlede samarbejdspartnere fra universiteter og forskningsinstitutter i Hong Kong, Kina, Singapore og Storbritannien, hvilket viser vigtigheden af ​​internationalt samarbejde for at opnå videnskabelige gennembrud.

Flere oplysninger: Zhenyu Shi et al., Faseafhængig vækst af Pt på MoS2 for højeffektiv H2-evolution, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06339-3

Journaloplysninger: Natur

Leveret af City University of Hong Kong