Gouden nanoclusters kunnen de elektrochemische watersplitsing verbeteren om waterstof te produceren

Nu de vraag naar energie blijft stijgen, is onderzoek naar nieuwe, efficiënte hernieuwbare en schone energiebronnen een dringende prioriteit. Momenteel vormen hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie, windenergie, getijdenenergie en geothermische energie minder dan 40% van de huidige energievraag. Om dit percentage te verhogen en de hoeveelheid gebruikte fossiele brandstoffen terug te dringen zijn andere, efficiëntere hernieuwbare en schone energiebronnen nodig.

Waterstof is een veelbelovend alternatief, maar wordt momenteel geproduceerd via stoomreforming, wat inefficiënt is en CO2 produceert₂ uitstoot. Elektrochemische watersplitsing, ook wel waterelektrolyse genoemd, kan profiteren van de elektriciteit die wordt opgewekt uit hernieuwbare bronnen en is een potentieel efficiënte oplossing om waterstof te produceren.

Voor het splitsen van water is een reactie nodig die waterstofevolutiereactie (HER) wordt genoemd, maar de nanokatalysatoren die bij deze HER betrokken zijn, hebben geen uniforme grootte, samenstelling, structuur of chemische coördinatieomgeving om de efficiëntie te verbeteren en het mechanistische begrip van de reactie te bevorderen. De oplossing voor dit probleem zou kunnen liggen in atomair nauwkeurige gouden nanoclusters.

In een literatuuroverzicht gepubliceerd in Polyoxometalaten op 19 augustus vatten de onderzoekers bestaand werk samen dat onderzoekt hoe gouden nanoclusters de katalytische prestaties kunnen verbeteren en HER kunnen bevorderen.

“Het is uiterst moeilijk om een ​​modelkatalysator te realiseren met een absoluut uniforme grootte, een duidelijke geometrische configuratie en een goed gedefinieerde lokale chemische omgeving op anatomisch niveau om de ondubbelzinnige structuur-prestatierelatie op atomair niveau vast te stellen. Atomair nauwkeurige gouden nanoclusters kunnen mogelijk oplossen deze problemen”, zegt Zhenghua Tang, onderzoeker aan het New Energy Research Institute van de South China University of Technology in Guangzhou, China. “In het bijzonder hebben gouden nanoclusters buitengewone katalytische eigenschappen aangetoond in verschillende organische reacties en elektrokatalytische reacties.”

Gouden nanoclusters zijn om verschillende redenen bij uitstek geschikt als katalysator voor HAAR. In tegenstelling tot andere nanokatalysatoren heeft gouden nanocluster een precieze nanostructuur. Deze precieze structuur betekent dat alle gouden nanoclusters uniform zijn qua grootte, samenstelling, morfologie en chemische omgeving.

Het is ook nuttig voor het identificeren van de actieve sites voor HER-katalyse. De rijke chemische reactiviteiten van gouden nanoclusters maken zowel aanpassing van de metalen kern als oppervlakteligand-engineering mogelijk. Bij het op maat maken van metalen kernen wordt een ander metaal geïntroduceerd in de gouden nanocluster, die een cluster van goudlegeringen vormt. De introductie van een ander metaal kan nieuwe katalytische mogelijkheden bieden en de kosten verlagen. Bij oppervlakteligandtechniek kan de chemische omgeving aan het oppervlak worden verfijnd om meer actieve plaatsen bloot te leggen of de structuur van de nanocluster te veranderen.

Ten slotte hebben gouden nanoclusters nog andere structurele voordelen, zoals de ultrakleine omvang, wat voldoet aan het principe van “klein is kostbaar” op het gebied van katalyse; de morfologie kan worden afgestemd en gemanipuleerd; robuuste stabiliteit met intacte structuur behouden in verschillende reacties onder milde omstandigheden.

“De gevallen die in dit overzicht worden gepresenteerd laten duidelijk zien dat uitzonderlijke HER-katalytische eigenschappen vaak worden weergegeven vanwege de duidelijke voordelen van gouden nanoclusters in vergelijking met gouden nanodeeltjes. Er zijn echter zeker uitdagingen bij het gebruik van gouden nanoclusters voor HER-katalyse”, aldus Tang.

Enkele van de gemeenschappelijke uitdagingen die verband houden met gouden nanoclusters zijn het vinden van een oplossing voor de hoeveelheid goud die nodig zou zijn om het gebruik van deze katalysatoren op te schalen, problemen met de manier waarop de nanokatalysatoren presteren onder zware omstandigheden, en onnauwkeurige theoretische modellering.

Vooruitkijkend plannen onderzoekers wat de volgende stappen in het onderzoek naar nanokatalysatoren zouden moeten zijn. Voorgestelde mogelijkheden zijn onder meer het testen van de toepasbaarheid van het op goudclusters gebaseerde composiet voor andere reacties in combinatie met HER en het verbeteren van de elektrische geleidbaarheid van de op clusters gebaseerde composietkatalysator.

“Vanwege de snelle ontwikkeling van synthetische technieken en katalysewetenschap verwachten we dat er meer onderzoeksinspanningen zullen worden besteed aan het gebruik van atomair nauwkeurige metalen nanoclusters als modelkatalysatoren voor verschillende elektrokatalytische reacties en meer”, aldus Tang.