Chemici ontwikkelen een ferromagnetische spinkatalysator met één atoom om watersplitsingsreacties te stimuleren

Chemici van de National University of Singapore (NUS) hebben een schaalbare hydrothermale benadering ontwikkeld voor het verkrijgen van ferromagnetische single-atom spinkatalysatoren die de efficiëntie van watersplitsingsreacties onder invloed van een magnetisch veld kunnen verhogen.

Elektrolyse van water met behulp van hernieuwbare bronnen is een veelbelovende technologie voor de productie van waterstof en heeft wereldwijd een groeiende belangstelling. Dit komt omdat waterstof wordt gezien als een veelbelovend alternatief om tegemoet te komen aan de toenemende bezorgdheid over koolstofemissies van fossiele brandstoffen die klimaatverandering kunnen veroorzaken.

De waterstofproductie via waterelektrolyse wordt echter voornamelijk beperkt door de trage kinetiek van een bijbehorend proces dat bekend staat als de zuurstofevolutiereactie (OER). Elektrokatalysatoren op basis van edele metalen worden vaak gebruikt in het OER-proces om de slechte efficiëntie te verbeteren. Een baanbrekende klasse van katalytische materialen, bekend als heterogene ferromagnetische single-atom spin-katalysatoren (SASC’s), heeft bij gebruik in combinatie met een aangelegd magnetisch veld een groot potentieel om deze chemische reactie te versnellen.

Het ontwerp van dergelijke efficiënte en robuuste SASC’s voor het OER-proces wordt echter nog steeds als een grote uitdaging erkend.

Het onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Lu Jiong van het NUS Department of Chemistry ontwikkelde een algemene en schaalbare benadering voor de synthese van een reeks SASC’s met instelbare hoge belasting via een hydrothermale benadering. Dit maakt de introductie van verschillende moleculaire voorlopers mogelijk, waaronder metaalzouten (M²⁺), ammoniummolybdaattetrahydraat en thioacetamide in één enkele verwerkingsstap.

De belangrijkste innovatie ligt in het creëren van operando-zure omstandigheden tijdens de synthese die de aggregatie tot metalen nanodeeltjes door de doteerstof kunnen onderdrukken. Met behulp van deze benadering kan de doteerstof zich als enkele atomen gelijkmatig over het materiaal verspreiden om substitutie met hoge dichtheid te bereiken, wat belangrijk is voor de juiste vorming van de spinkatalysator en om het ferromagnetische effect te verschaffen.

Dit is een samenwerking met Professor Xin Luo van Sun Yat-sen University, China, Dr. Shibo Xi van Institute of Sustainability for Chemicals, Energy and Environment, Singapore en Professor Cheng-Hao Chuang van Tamkang University, Taiwan.

Deze doorbraak in het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

De onderzoekers gebruikten molybdeendisulfide (MoS₂) als gastheermateriaal en ontdekte dat de dopingverhouding tot 20:100 kan worden aangepast voor de verschillende soorten M₁/MoS₂ SASC’s (M₁=Mn, Fe, Ni, Co). Over het algemeen vermindert een hogere doteringsdichtheid de gemiddelde afstand tussen aangrenzende magnetische doteringsplaatsen en vergroot de magnetische orde over lange afstand.

Dit onderzoekswerk demonstreert het conceptuele ontwerp en de synthese van een nieuwe klasse robuuste ferromagnetische SASC’s met gigantische magnetische veldverbetering (MFE), die kan worden toegepast om zowel water- als zoutwaterelektrolyse te versnellen onder algemeen beschikbare magnetische velden.

Hoewel het MFE-effect op chemische reacties is benut in homogene spinkatalysesystemen en in bulk-vaste katalysatoren (bijvoorbeeld gemengde oxiden en metaal), is het ontwerp van geavanceerde heterogene spinkatalysatoren met atomair nauwkeurige actieve plaatsen om de reactiekinetiek te stimuleren en de mechanistische inzichten blijven uitdagend.

Dit komt omdat men meerdere complexiteiten moet aanpakken, waaronder het vermogen om goed gedefinieerde actieve locaties te ontwerpen met sterke kwantumspinuitwisselingsinteractie (QSEI) op korte afstand binnen individuele locaties (lokaal magnetisme) en ferromagnetische ordening op lange afstand tussen aangrenzende locaties (globaal magnetisme). .

De belangrijkste nieuwigheid van dit werk gaat verder dan het syntheseaspect. Gezamenlijke experimentele en theoretische studies tonen aan dat alle door de onderzoekers ontwikkelde SASC’s interatomaire QSEI vertonen om lokale magnetische momenten te induceren met spindichtheid gedelokaliseerd over aangrenzende zwavelatomen via sterke pd-orbitale hybridisatie.

In hun experimenten met het gebruik van de Ni₁/MoS₂ SASC, een mild magnetisch veld van ongeveer 0,5 tesla (algemeen toegankelijke magnetische velden van permanente magneten), levert bij toepassing een dramatische verbetering van de OER-magnetostroom op met ongeveer 3.000%. Het vertoonde ook uitstekende reactiviteit en stabiliteit in zowel zeewater als zuiver water splitsende cellen in vergelijking met commercieel iridiumdioxide (IrO₂) katalysator.

Assoc Prof Lu zei: “Deze bevinding onthult dat ferromagnetische SASC’s een krachtig magneto-elektrisch effect hebben om de elektrolyse van water te versnellen. De aanpak biedt ongekende mogelijkheden voor het ontwerp van op niet-edele metalen gebaseerde ferromagnetische SASC’s voor zowel water- als zoutwater-elektrolyzertechnologieën.”

“We zijn van plan om te werken aan grootschalige synthese van ferromagnetische single-atom spinkatalysatoren in combinatie met magnetisch veld om oplossingen te ontwikkelen die de kosten kunnen verlagen en de efficiëntie van de productie van groene waterstof kunnen verbeteren door de elektrolytische splitsing van water en zeewater”, voegde Assoc Prof. Lu.