Engineering van stabiele en efficiënte nanosheet-katalysatoren met Turing-structuren voor waterstofproductie

Waterstofenergie is een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen gebleken en biedt een schone en duurzame energiebron. De ontwikkeling van goedkope en efficiënte katalysatoren voor de waterstofontwikkelingsreactie blijft echter een uitdaging.

Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) heeft onlangs een nieuwe strategie ontwikkeld om stabiele en efficiënte ultradunne nanosheet-katalysatoren te ontwikkelen door Turing-structuren te vormen met meerdere nanotwin-kristallen. Deze innovatieve ontdekking maakt de weg vrij voor verbeterde katalysatorprestaties voor de productie van groene waterstof.

Het artikel, getiteld “Turing structurering met meerdere nanotwins om efficiënte en stabiele katalysatoren te ontwikkelen voor waterstofevolutiereactie” is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Het produceren van waterstof via het proces van waterelektrolyse met een netto nul-koolstofuitstoot is een van de schone waterstofproductieprocessen. Hoewel laagdimensionale nanomaterialen met controleerbare defecten of spanningsmodificaties naar voren zijn gekomen als actieve elektrokatalysatoren voor de omzetting en het gebruik van waterstofenergie, leidt de onvoldoende stabiliteit in deze materialen als gevolg van spontane structurele degradatie en spanningsrelaxatie tot verslechtering van hun katalytische prestaties.

Om dit probleem aan te pakken heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Lu Jian, decaan van het College of Engineering van CityU en directeur van de Hong Kong Branch van het National Precious Metal Material Engineering Research Center, onlangs een baanbrekende Turing-structureringsstrategie ontwikkeld die niet alleen activeert, maar ook stabiliseert ook katalysatoren door de introductie van nanotwin-kristallen met hoge dichtheid. Deze aanpak lost effectief het instabiliteitsprobleem op dat gepaard gaat met laagdimensionale materialen in katalytische systemen, waardoor een efficiënte en langdurige waterstofproductie mogelijk wordt.

Turingpatronen, bekend als spatiotemporele stationaire patronen, worden algemeen waargenomen in biologische en chemische systemen, zoals de regelmatige oppervlaktekleuring van schelpen. Het mechanisme van deze patroonformaties houdt verband met de reactie-diffusietheorie van Alan Turing, een beroemde Engelse wiskundige die wordt beschouwd als een van de grondleggers van het moderne computergebruik, waarin de activator met een kleinere diffusiecoëfficiënt lokale preferentiële groei induceert.

“In eerder onderzoek heeft de vervaardiging van laag-dimensionale materialen zich vooral gericht op structurele controles voor functionele doeleinden, met weinig overwegingen op het gebied van spatiotemporele controles”, aldus professor Lu.

“De Turing-patronen in nanomaterialen kunnen echter worden bereikt door de anisotrope groei van nanokorrels van de materialen. Een dergelijke gebroken roostersymmetrie heeft cruciale kristallografische implicaties voor de groei van specifieke configuraties, zoals tweedimensionale (2D) materialen met twinning en intrinsiek gebroken Daarom wilden we de toepassing van de Turing-theorie op de groei van nanokatalysatoren en de relaties met kristallografische defecten onderzoeken.”

In dit onderzoek gebruikte het team een ​​tweestapsaanpak om superdunne platina-nikkel-niobium (PtNiNb) nanosheets te creëren met strips die topologisch op Turing-patronen lijken. Deze Turing-structuren op nanosheets werden gevormd door de beperkte oriëntatiehechting van nanokorrels, resulterend in een intrinsiek stabiel nanotwin-netwerk met hoge dichtheid dat fungeerde als structurele stabilisatoren die spontane structurele degradatie en spanningsrelaxatie voorkwamen.

Bovendien genereerden de Turing-patronen roosterspanningseffecten die de energiebarrière van waterdissociatie verminderen en de waterstofadsorptievrije energie voor waterstofevolutiereactie optimaliseren, waardoor de activiteit van de katalysatoren wordt verbeterd en uitzonderlijke stabiliteit wordt geboden. Het oppervlak van de Turing-structuur op nanoschaal vertoont een groot aantal dubbele interfaces, waardoor het ook een uitzonderlijk geschikt materiaal is voor interface-gedomineerde toepassingen, met name elektrochemische katalyse.

In de experimenten demonstreerden de onderzoekers het potentieel van de nieuw uitgevonden Turing PtNiNb-nanokatalysator als een stabiele waterstofevolutiekatalysator met uitstekende efficiëntie. Het bereikte een toename van de massaactiviteit en de stabiliteitsindex van respectievelijk 23,5 en 3,1 keer, vergeleken met commerciële 20% Pt/C. De Turing PtNiNb-gebaseerde anionenuitwisselingsmembraan-waterelektrolysator met een lage platina (Pt) massabelasting van 0,05 mg cm3⁻² was ook uiterst betrouwbaar, aangezien het 500 uur stabiliteit kon bereiken bij 1.000 mAcm⁻².

“Onze belangrijkste bevindingen bieden waardevolle inzichten in de activering en stabilisatie van katalytische materialen met lage afmetingen. Het presenteert een nieuw paradigma voor het verbeteren van de katalysatorprestaties”, aldus professor Lu. “De Turing-structuuroptimalisatiestrategie richt zich niet alleen op het probleem van stabiliteitsverslechtering in laagdimensionale materialen, maar dient ook als een veelzijdige materiaaloptimalisatiebenadering die toepasbaar is op andere legerings- en katalytische systemen, waardoor uiteindelijk de katalytische prestaties worden verbeterd.”