Ultrasnel fotothermisch proces bereikt 3.000 °C in 0,02 seconden, waardoor de waterstofproductie-efficiëntie verzesvoudigt

De snelle en energie-efficiënte synthese van hoogwaardige katalysatoren is een cruciale hindernis bij het bevorderen van schone energietechnologieën zoals de productie van waterstof. Om deze uitdaging aan te pakken heeft een onderzoeksteam van KAIST nu een nieuwe platformtechnologie ontwikkeld die gebruik maakt van een lichtflits van 0,02 seconde om een ​​ultrahoge temperatuur van 3.000 °C te genereren, waardoor de zeer efficiënte synthese van katalysatoren mogelijk wordt.

Dit baanbrekende proces vermindert het energieverbruik met meer dan duizend keer vergeleken met conventionele methoden, terwijl de efficiëntie van de waterstofproductie tot wel zes keer wordt verhoogd, wat een belangrijke stap markeert in de richting van de commercialisering van schone energie.

Een gezamenlijk onderzoeksteam onder leiding van professor Il-Doo Kim van de afdeling Materials Science and Engineering en professor Sung-Yool Choi van de School of Electrical Engineering ontwikkelde het fotothermische gloeiplatform met direct contact. Deze techniek synthetiseert hoogwaardige nanomaterialen door korte blootstelling aan intens licht, waardoor in slechts 0,02 seconden een transiënte temperatuur van 3.000 °C wordt gegenereerd.

Met behulp van deze intense fotothermische energie hebben de onderzoekers met succes chemisch inerte nanodiamanten (ND) voorlopers omgezet in zeer geleidende en katalytisch actieve koolstofnano-ionen (CNO’s).

Nog indrukwekkender is dat de methode tegelijkertijd het oppervlak van de nieuw gevormde CNO’s met afzonderlijke atomen functionaliteit geeft. Dit geïntegreerde, uit één stap bestaande proces herstructureert het dragermateriaal en integreert katalytische functionaliteit in een enkele lichtpuls, wat een belangrijke innovatie in de katalysatorsynthese vertegenwoordigt. Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal ACS Nano.

CNO’s, samengesteld uit concentrische grafietschillen, zijn ideale katalysatordragers vanwege hun hoge geleidbaarheid, groot specifiek oppervlak en chemische stabiliteit. De traditionele CNO-synthese wordt echter belemmerd door complexe, uit meerdere stappen bestaande nabewerkingen die nodig zijn om metaalkatalysatoren te laden en door het vertrouwen op energie-intensieve, tijdrovende thermische behandelingen die de schaalbaarheid beperken.

Om deze beperkingen te overwinnen, maakte het team gebruik van het fotothermische effect. Ze bedachten een methode om ND-voorlopers te mengen met lichtabsorberend carbon black (CB) en een intense puls van een xenonlamp toe te passen. Deze aanpak veroorzaakt de transformatie van ND’s in CNO’s in slechts 0,02 seconden, een fenomeen dat gevalideerd wordt door simulaties van moleculaire dynamica.

Een belangrijke innovatie van dit platform is de gelijktijdige synthese van CNO’s en de functionaliteit van single-atom-katalysatoren (SAC’s). Wanneer metaalvoorlopers, zoals platina (Pt), in het mengsel worden opgenomen, ontleden ze en verankeren ze zich als individuele atomen op het oppervlak van de opkomende CNO’s. De daaropvolgende snelle afkoeling voorkomt atomaire aggregatie, wat resulteert in een perfect geïntegreerd eenstapsproces voor zowel synthese als functionaliteit.

Het team heeft met succes acht verschillende SAC’s met hoge dichtheid gesynthetiseerd, waaronder platina (Pt), kobalt (Co) en nikkel (Ni). De resulterende Pt-CNO demonstreerde een zesvoudige verbetering van de efficiëntie van de waterstofontwikkeling in vergelijking met conventionele katalysatoren, waardoor hoge prestaties werden bereikt met aanzienlijk kleinere hoeveelheden edele metalen. Dit benadrukt het potentieel van de technologie voor schaalbare en duurzame waterstofproductie.

“We hebben voor het eerst een fotothermisch gloeiproces met direct contact ontwikkeld dat in minder dan 0,02 seconden een temperatuur van 3.000 ° C bereikt”, zegt professor Il-Doo Kim. “Dit ultrasnelle synthese- en functionaliteitsplatform met één atoom vermindert het energieverbruik met meer dan duizend keer in vergelijking met traditionele methoden. We verwachten dat het de commercialisering van technologieën op het gebied van waterstofenergie, gasdetectie en milieukatalyse zal versnellen.”