Chemische schaar knipt 2-D overgangsmetaal dichalcogeniden in nanoribbon

Een van de grootste uitdagingen bij het schoon en goedkoop maken van waterstofproductie was het vinden van een alternatieve katalysator die nodig is voor de chemische reactie die het gas produceert, een die veel goedkoper en overvloedig beschikbaar is dan het zeer dure en zeldzame platina dat momenteel wordt gebruikt. Onderzoekers in Korea hebben nu een manier gevonden om in minuscule nanoribbons een goedkope en overvloedige stof te ‘knippen’ die bij de rekening past, waardoor de katalytische efficiëntie ten minste die van platina wordt verhoogd.

Onderzoekers hebben een mogelijk katalysatoralternatief geïdentificeerd – en een innovatieve manier om ze te produceren met een chemische ‘schaar’ – die de waterstofproductie zuiniger zou kunnen maken.

Het onderzoeksteam onder leiding van professor Sang Ouk Kim van het Department of Materials Science and Engineering publiceerde hun werk in Nature Communications.

Waterstof zal waarschijnlijk een sleutelrol spelen bij de schone overgang van fossiele brandstoffen en andere processen die broeikasgasemissies veroorzaken. Er is een groot aantal transportsectoren, zoals langeafstandsvervoer en luchtvaart, die moeilijk te elektrificeren zijn en daarom schoon geproduceerde waterstof nodig hebben als brandstof of als grondstof voor andere koolstofneutrale synthetische brandstoffen. Evenzo is het onwaarschijnlijk dat de productie van kunstmest en de staalsector “koolstofarm” wordt zonder goedkope en schone waterstof.

Het probleem is dat veruit de goedkoopste methode om waterstofgas te produceren momenteel afkomstig is van aardgas, een proces dat zelf het broeikasgas kooldioxide produceert – wat het doel niet doet.

Alternatieve technieken voor waterstofproductie, zoals elektrolyse met behulp van een elektrische stroom tussen twee elektroden die in water worden gedompeld om de chemische bindingen te overwinnen die water bij elkaar houden, waardoor het wordt gesplitst in de samenstellende elementen, zuurstof en waterstof, zijn zeer goed ingeburgerd. Maar een van de factoren die bijdragen aan de hoge kosten, behalve dat het extreem energie-intensief is, is de behoefte aan het zeer dure kostbare en relatief zeldzame metaal platina. Het platina wordt gebruikt als katalysator – een stof die een chemische reactie op gang brengt of versnelt – in het waterstofproductieproces.

Als gevolg hiervan zijn onderzoekers al lang op zoek naar een vervanging voor platina – een andere katalysator die overvloedig aanwezig is in de aarde en dus veel goedkoper.

Overgangsmetaal dichalcogeniden, of TMD’s, in nanomateriaalvorm, worden al geruime tijd beschouwd als een goede kandidaat als katalysatorvervanger voor platina. Dit zijn stoffen die zijn samengesteld uit één atoom van een overgangsmetaal (de elementen in het middelste deel van het periodiek systeem) en twee atomen van een chalcogeen element (de elementen in de voorlaatste kolom in het periodiek systeem, met name zwavel, selenium en tellurium).

Wat TMD’s een goede gok maakt als vervanging van platina, is niet alleen dat ze veel meer voorkomen, maar ook dat hun elektronen zo zijn gestructureerd dat de elektroden een boost krijgen.

Bovendien is een TMD dat een nanomateriaal is, in wezen een tweedimensionale superdunne plaat van slechts enkele atomen dik, net als grafeen. De ultradunne aard van een 2-D TMD-nanosheet maakt het mogelijk dat veel meer TMD-moleculen worden blootgesteld tijdens het katalyseproces dan het geval zou zijn in een blok van het spul, waardoor de waterstofproducerende chemische reactie wordt gestart en versneld. veel meer.

Maar zelfs hier zijn de TMD-moleculen alleen reactief aan de vier randen van een nanoblad. In het vlakke interieur is er niet veel te beleven. Om de chemische reactiesnelheid bij de productie van waterstof te verhogen, zou het nanoplaatje in zeer dunne – bijna eendimensionale stroken moeten worden gesneden, waardoor veel randen ontstaan.

Als reactie daarop ontwikkelde het onderzoeksteam wat in wezen een chemische schaar is die TMD in kleine reepjes kan knippen.

“Tot nu toe zijn de enige stoffen die iemand in deze ‘nanolinten’ heeft kunnen veranderen, grafeen en fosforen”, zegt Sang Professor Kim, een van de onderzoekers die betrokken was bij het bedenken van het proces.

“Maar ze bestaan ​​allebei uit slechts één element, dus het is vrij eenvoudig. Uitzoeken hoe je het moet doen voor TMD, dat uit twee elementen bestaat, zou veel moeilijker worden.”

De ‘schaar’ omvat een tweestapsproces waarbij eerst lithiumionen in de gelaagde structuur van de TMD-platen worden ingebracht en vervolgens ultrasoon wordt gebruikt om een ​​spontaan ‘uitpakken’ in rechte lijnen te veroorzaken.

“Het werkt een beetje zoals wanneer je een plank multiplex splitst: het breekt gemakkelijk in één richting langs de nerf”, vervolgde professor Kim. “Het is eigenlijk heel simpel.”

De onderzoekers probeerden het vervolgens met verschillende soorten TMD’s, waaronder die van molybdeen, selenium, zwavel, telluur en wolfraam. Alles werkte net zo goed, met een katalytische efficiëntie die even effectief was als die van platina.

Vanwege de eenvoud van de procedure moet deze methode niet alleen kunnen worden gebruikt bij de grootschalige productie van TMD-nanoribbons, maar ook om vergelijkbare nanoribbons te maken van andere multi-elementaire 2-D-materialen voor doeleinden die verder gaan dan alleen waterstofproductie.