Nieuwe aanpak configureert omkeerbaar enkele en heteronucleaire katalysatoren met dubbele atoom op MOS₂-substraat

Katalysatoren met één atoom (SAC’s) zijn materialen bestaande uit individuele metalen atomen die op een substraat worden verspreid (dwz het ondersteunende oppervlak). Recente studies hebben de belofte van deze katalysatoren benadrukt voor de efficiënte conversie en opslag van energie, met name wanneer ingezet in brandstofcellen en waterelektrolyzers.

Ondanks hun voordelen, waaronder goede selectiviteit (dwz het vermogen om specifieke producten te produceren), lagere kosten en instelbare reactiviteit, vertonen SACS meestal enkele beperkingen. Het meest opvallend is dat substraten die in het verleden worden gebruikt, slechts een beperkt aantal SACS kunnen organiseren, wat een negatieve invloed heeft op hun collectieve katalytische prestaties.

Bovendien, wanneer te veel SAC’s op een substraat worden geladen, kunnen ze clusters vormen, die ook de katalytische efficiëntie van een materiaal kunnen verminderen. Recente studies hebben dus geprobeerd materialen te identificeren die meer zakjes kunnen hosten, zonder de vorming van deze clusters aan te roepen, en toch de metaalatomen kunnen interageren met individuele atomen in de buurt om dual-atom katalysatoren (DAC’s) te vormen, paren metaalatomen die de katalytische prestaties kunnen stimuleren.

In een paper gepubliceerd in Natuurnanotechnologieonderzoekers van de Nationale Universiteit van Singapore toonden aan dat de tweedimensionale (2D) materiaal MOS₂ (molybdeen disulfide) zou een veelbelovend substraat kunnen zijn voor de inzet van SACS en DAC’s.

In het bijzonder ontdekten ze dat de selectieve verwijdering van zwavelatomen met behulp van een techniek die bekend staat als elektrochemische desulfurisatie, vacatury-rijke domeinen in een metalen fase van MO’s mogelijk maken₂bekend als 1t’-mos₂die op zijn beurt het laden van een groot aantal metaalatomen op het substraat mogelijk maakt.

“Er is intens onderzoek gedaan in enkele atoomkatalysatoren (SAC), maar de laadhoeveelheid is laag bij de meeste substraten, wat resulteert in een lage katalytische efficiëntie,” vertelde Kian Ping Loh, senior auteur van het papier, aan Phys.org.

“We zijn dus op zoek naar een materiaal dat een hoge belasting van zakjes kan ondersteunen. Katalytische efficiëntie is afhankelijk van het belasting. Als we echter een te hoge dichtheid laden, kan aggregatie van de SAC’s optreden om clusters te vormen, wat de katalytische efficiëntie vermindert.

“We gingen op zoek naar een substraat dat de enkele atomen kan immobiliseren en aggregatie kan voorkomen, zelfs als een beperkte diffusie tussen de volgende dichtstbijzijnde buurzak de vorming van dubbele atoomkatalysatoren (DAC) mogelijk maakt.”

DAC’s zijn paren van verschillende metaalatomen die synergistisch met elkaar interageren, waardoor de katalyse in sommige reacties wordt gestimuleerd. Deze paren van atomen bleken bijzonder effectief te zijn bij het stimuleren van hydrogeneringsreacties, chemische reacties die de toevoeging van waterstofatomen aan moleculen met zich meebrengen via de verzadiging van hun meerdere bindingen.

In hun paper introduceerden Loh en zijn collega’s een nieuwe aanpak om het laden van meer zakjes op MOS te vergemakkelijken₂ terwijl ook de vorming van DAC’s wordt vergemakkelijkt. Hun voorgestelde benadering is gebaseerd op het gebruik van elektrochemische desulfurisatie, de selectieve verwijdering van zwavelatomen uit een materiaal met behulp van een aangelegde elektrische stroom.

“We hebben zwavel- en molybdeen -vacatures in MOS gegenereerd₂ Met behulp van elektrochemische technieken, “legde Loh uit.

“Met deze vacatures kunnen buitenlandse single-atomen worden geladen met een concentratie die gerelateerd is aan de leegstandsconcentratie. Vervolgens gebruikten we operando röntgenabsorptie nabij rand fijne structuur bij de Australische synchrotron-bundellijn om de coördinatieomgevingen van koper- en platinum enkele atomen te onderzoeken.

“Dit werd aangevuld met scanning transmissie-elektronenmicroscopieonderzoek met hoge resolutie van de katalysatoren met enkele atoom bij door vacature verrijkte MOS₂. “

In hun experimenten onderzochten de onderzoekers het katalytische materiaal dat ze zich realiseerden met behulp van röntgenabsorptiespectroscopie, een techniek om veranderingen in de atoomstructuur van een materiaal bij te houden.

Opmerkelijk is dat ze ontdekten dat hun aanpak met succes de omkeerbare verschuiving van SAC naar DAC-configuraties op hun 1T’-MOS mogelijk maakte₂ Substraat via de toepassing van een elektrisch veld.

“De meest opvallende prestatie van onze studie was de omkeerbare generatie van heterogene dubbele atoomkatalysatoren op aanvraag (dwz aangedreven door een elektrisch veld),” zei Loh.

“De omkeerbare binding en het ontbinden van de twee verschillende metaalatomen in DAC’s is gekoppeld aan de protonatie en deprotonatie van zwavelatomen op de MOS₂ matrix. In ons toekomstige werk zijn we van plan om te zoeken naar meer voorbeelden van enkele atoom A en B die dynamisch kunnen combineren om dubbele atoomkatalysator te vormen onder een elektrisch veld. “

Voor u geschreven door onze auteur Ingrid Fadellibewerkt door Gaby Clarken feiten gecontroleerd en beoordeeld door Robert Egan– Dit artikel is het resultaat van zorgvuldig menselijk werk. We vertrouwen op lezers zoals jij om onafhankelijke wetenschapsjournalistiek levend te houden. Als deze rapportage voor u belangrijk is, overweeg dan een schenking (vooral maandelijks). Je krijgt een advertentievrij account als een bedankje.