Snelle thermische schokmethode bereikt uniforme verspreiding van metaalnanodeeltjes op koolstofdragers

De elektrokatalytische reductie van koolstofdioxide tot hoogwaardige chemicaliën en brandstoffen biedt een veelbelovende strategie voor het aanpakken van de wereldwijde energiecrisis en verergerende milieuproblemen. De hoge thermodynamische stabiliteit van CO₂ moleculen, concurrerende waterstofontwikkelingsreacties en de complexiteit van producten vormen aanzienlijke uitdagingen. Daarom zijn de selectie en het ontwerp van elektrokatalysatoren cruciaal voor het verbeteren van productselectiviteit en energie-efficiëntie.

In een onderzoek gepubliceerd in het dagboek ChemPhysMatereen team van onderzoekers uit China heeft een nieuwe aanpak geïntroduceerd: de snelle joule-verhittingssynthesemethode die zorgt voor een gelijkmatige verspreiding van metaalnanodeeltjes (NP’s) op koolstofdragers en de elektronengeleiding van katalysatoren verbetert.

De functionele nanodeeltjes verspreid op geleidende koolstof bieden aanzienlijke voordelen om de efficiëntie en selectiviteit van CO te verbeteren₂ reductie. De koolstofdragers faciliteren efficiënte elektronen- en warmteoverdracht, terwijl ze ook NP’s verspreiden en stabiliseren om aggregatie te voorkomen. Echter, tijdens carbonisatiesynthese aggregeren metaalnanodeeltjes vaak om hun oppervlakte-energie te verminderen, wat leidt tot een verlies van actief oppervlak en katalytische deactivering.

Door snelle thermische schokbehandeling bereikten de onderzoekers een uniforme dispersie van metaalnanodeeltjes op een koolstofsubstraat (M-PANI-T). De korte duur van de thermische schok remde de migratie van metaalatomen en defecten in koolstof die door pyrolyse werden gegenereerd, speelden een cruciale rol bij het verankeren van metaalnanodeeltjes. Door de behandelingstijd aan te passen aan verschillende temperaturen, onderzochten de onderzoekers de impact op de katalytische prestaties. Elektrochemische tests lieten zien dat de katalysatorprestaties afhankelijk zijn van zowel de actieve metaalplaatsen als de koolstofdragers, in plaats van alleen van individuele factoren.

Volgens Jintao Zhang, senior onderzoeker van de studie, toont deze doorbraak op het gebied van functionele nanodeeltjes bereid op koolstofsubstraten aan dat de joule-heating shock-methode een goede universaliteit en uitstekende elektrokatalytische activiteit heeft. Deze methode kan worden gebruikt om verschillende katalysatoren voor koolstof-ondersteunde metalen nanodeeltjes te bereiden, wat de tijd en grondstofkosten aanzienlijk vermindert en waardevolle theoretische inzichten biedt voor toekomstig katalysatorontwerp.