Twee is beter dan één: Dimeer-elektrokatalysator met één atoom voor de productie van groene waterstof

Het beperkte reservoir van fossiele brandstoffen en de steeds toenemende dreiging van klimaatverandering hebben onderzoekers aangemoedigd om alternatieve technologieën te ontwikkelen om milieuvriendelijke brandstoffen te produceren. Groene waterstof opgewekt uit de elektrolyse van water met behulp van hernieuwbare elektriciteit wordt beschouwd als een nieuwe generatie hernieuwbare energiebron voor de toekomst. Maar in werkelijkheid wordt de overgrote meerderheid van waterstofbrandstof verkregen door de raffinage van fossiele brandstoffen vanwege de hoge kosten van elektrolyse.

Momenteel is de efficiëntie van waterelektrolyse beperkt en vereist vaak een hoge celspanning vanwege het ontbreken van efficiënte elektrokatalysatoren voor waterstofontwikkelingsreacties. Edelmetalen zoals platina (Pt) worden gebruikt als katalysatoren om de waterstofproductie in zowel zure/alkalische media te verbeteren. Deze edelmetaalkatalysatoren zijn echter erg duur en vertonen een slechte stabiliteit bij langdurig gebruik.

Katalysatoren met één atoom hebben voordelen ten opzichte van hun tegenhangers op basis van nanomateriaal, waarbij ze tot 100 procent atoomgebruik bereiken, terwijl alleen de oppervlakte-atomen van nanodeeltjes beschikbaar zijn voor reactie. Vanwege de eenvoud van het centrum van een enkel metaalatoom is het echter nogal moeilijk om de katalysatoren verder te modificeren om complexe meerstapsreacties uit te voeren.

De eenvoudigste manier om de enkele atomen te wijzigen, is door ze om te zetten in dimeren met één atoom, die twee verschillende enkelvoudige atomen met elkaar combineren. Het afstemmen van de actieve plaats van katalysatoren met één atoom met dimeren kan de reactiekinetiek verbeteren dankzij het synergetische effect tussen twee verschillende atomen. Hoewel de synthese en identificatie van de dimeerstructuur met één atoom conceptueel bekend was, was de praktische realisatie ervan echter erg moeilijk.

Dit probleem werd aangepakt door een onderzoeksteam onder leiding van Associate Director LEE Hyoyoung van het Center for Integrated Nanostructure Physics binnen het Institute for Basic Science (IBS) aan de Sungkyunkwan University. Het IBS-onderzoeksteam ontwikkelde met succes een atomair gedispergeerde Ni-Co-dimeerstructuur gestabiliseerd op een met stikstof gedoteerde koolstofdrager, die NiCo-SAD-NC werd genoemd.

“We synthetiseerden Ni-Co enkelvoudige atoomdimeerstructuur op stikstof (N)-gedoteerde koolstofdrager via in-situ insluiting van Ni / Co-ionen in de polydopaminebol, gevolgd door pyrolyse met nauwkeurig gecontroleerde N-coördinatie. We gebruikten state-of- geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie en röntgenabsorptiespectroscopie om deze NiCo-SAD-locaties met atomaire precisie met succes te identificeren”, zegt Ashwani Kumar, de eerste auteur van het onderzoek.

De onderzoekers ontdekten dat uitgloeien gedurende twee uur bij 800°C in een argonatmosfeer de beste conditie was om de dimeerstructuur te verkrijgen. Andere dimeren met één atoom, zoals CoMn en CoFe, kunnen ook met dezelfde methode worden gesynthetiseerd, wat de algemeenheid van hun strategie bewijst.

Het onderzoeksteam evalueerde de katalytische efficiëntie van dit nieuwe systeem in termen van het overpotentieel dat nodig is om de waterstofevolutiereactie aan te sturen. De NiCo-SAD-NC elektrokatalysator had een vergelijkbaar overspanningsniveau als commerciële op Pt gebaseerde katalysatoren in zure en alkalische media. NiCo-SAD-NC vertoonde ook een acht keer hogere activiteit dan Ni/Co-katalysatoren met één atoom en heterogene NiCo-nanodeeltjes in alkalische media. Tegelijkertijd bereikte het een 17 en 11 keer hogere activiteit dan respectievelijk Co- en Ni-katalysatoren met één atoom, en 13 keer hoger dan conventionele Ni/Co-nanodeeltjes in zure media.

Bovendien toonden de onderzoekers de stabiliteit op lange termijn van de nieuwe katalysator aan, die in staat was om de reactie gedurende 50 uur aan te sturen zonder enige verandering van structuur. De NiCo-SAD vertoonde superieure waterdissociatie en optimale protonadsorptie in vergelijking met andere enkelvoudige dimeren en Ni/Co enkelvoudige atoomplaatsen, waardoor de pH-universele katalysatoractiviteit werd gestimuleerd op basis van de simulatie van de dichtheidsfunctionaaltheorie.

“We waren erg opgewonden om te ontdekken dat de nieuwe NiCo-SAD-structuur watermoleculen dissocieert met een veel lagere energiebarrière en de waterstofevolutiereactie versnelt in zowel alkalische als zure media met prestaties die vergelijkbaar zijn met die van Pt, die de tekortkomingen van de individuele Ni aanpakte. en Co-katalysatoren met één atoom. De synthese van een dergelijke dimeerstructuur met één atoom was een langdurige uitdaging op het gebied van katalysatoren met één atoom”, merkt Associate Director Lee op, de corresponderende auteur van het onderzoek.

Hij legt verder uit: “Deze studie brengt ons een stap dichter bij een koolstofvrije en groene waterstofeconomie. Deze zeer efficiënte en goedkope elektrokatalysator voor waterstofopwekking zal ons helpen de langetermijnuitdagingen van kostenconcurrerende groene waterstofproductie te overwinnen: het produceren van hoogwaardige zuiverheid waterstof voor commerciële toepassingen tegen een lage prijs en op een milieuvriendelijke manier.”

De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.