Zeven jaar op koolstof gebaseerde elektrochemische katalysatoren: waar we zijn en waar we heen moeten

De overvloedige koolstof op aarde kan een rijke, hernieuwbare hulpbron bieden voor schone, duurzame energie. De technologie, op koolstof gebaseerde elektrochemische katalyse genaamd, die de omzetting van groene energie mogelijk zou kunnen maken, bestaat volgens een internationale samenwerking die recente vorderingen onderzoekt, maar is nog niet klaar voor brede toepassing.

Hoewel de katalysatoren nog niet de goede prestatie en kosteneffectiviteit hebben bereikt die nodig zijn voor industriële inzet, aldus de onderzoekers, zijn er duidelijke wegen om de technologie vooruit te helpen door de belofte van op koolstof gebaseerde metaalvrije elektrokatalysatoren (C-MFEC’s). Het team publiceerde hun recensie op 15 december in Nano-onderzoeksenergie.

“Het is absoluut noodzakelijk om duurzame en heldere energie te ontwikkelen, evenals aanverwante opslagapparaten om het energietekort en de milieuvervuiling te verminderen”, zegt co-corresponderende auteur Liming Dai, Scientia Professor, Laureaat van de Australian Research Council en financieringsdirecteur van het Australian Carbon Materials Centre , School of Chemical Engineering, Universiteit van New South Wales.

“In dit artikel geven we een beknopt maar kritisch overzicht van de recente vooruitgang in de ontwikkeling van rationeel ontworpen C-MFEC’s met hoogwaardige activiteitenlocaties voor energiegerelateerde reacties en systemen. We bespreken ook de huidige uitdagingen en toekomstige kansen om vooruit te komen – op zoek naar begeleiding voor hun mogelijke toepassing in verschillende katalytische processen van praktisch belang.”

Elektrochemische katalysatoren versnellen doorgaans een reactie aan een elektrode, waarvoor vaak een metaal nodig is. De metalen die het beste werken, zoals platina, zijn schaars en duur. Meer gebruikelijke metalen, zoals ijzer en koper, zijn goedkoper maar minder efficiënt in het versnellen van een volledige reactie.

Volgens co-corresponderende auteur Chuangang Hu, corresponderende auteur en een professor van het State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, bieden C-MFEC’s een potentieel alternatief voor op edelmetaal gebaseerde en transitie op metaal gebaseerde elektrokatalysatoren.

“Lage kosten, hoge activiteit en stabiele metaalvrije alternatieven voor hernieuwbare energietechnologieën zijn wanhopig gewenst”, zei Hu.

“Na ongeveer tien jaar wereldwijd uitgebreid onderzoek en ontwikkeling en met de beschikbaarheid van deze nieuw ontwikkelde strategieën, tonen C-MFEC’s potentiële toepassingen in hernieuwbare energie en milieutechnologieën van praktisch belang. Vooral sinds 2015 zijn er veel strategieën gerapporteerd om de elektrochemische katalytische activiteit te verbeteren door C-MFEC’s te ontwerpen door middel van intrinsieke katalytische structuuraanpassing en rationele montage.”

Bij hun beoordeling van de laatste zeven jaar, grofweg, van wetenschappelijke literatuur, ontdekten de onderzoekers dat het meest recente werk omvat hoe de focus op structuurontwerp en regulering van intrinsiek katalytisch actieve sites kan worden gecontroleerd, of hoe efficiënt en effectief de katalysator de gewenste reactie veroorzaakt. . Het recente werk omvat ook vorderingen in de constructie van 3D-assemblage en composietstructuren en onderzoek naar de mechanismen die ten grondslag liggen aan C-MFEC’s.

“De afgelopen jaren zijn er enorme vorderingen gemaakt op het gebied van C-MFEC’s,” zei Dai. “Rationeel ontwerp en regulering van de configuratie en structuur van C-MFEC’s zou kunnen worden gebruikt voor het afstemmen van geavanceerde katalysatoren met de gewenste eigenschappen en prestaties, waardoor C-MFEC’s op metaal gebaseerde katalysatoren zouden kunnen inhalen in de race naar de technologische markt voor hernieuwbare energie.”

Om de vooruitgang van C-MFEC’s als een metaalalternatief voor praktische toepassingen op grote schaal te ondersteunen, zei Dai dat er nog steeds een “dringende” behoefte is aan het ontwikkelen van efficiënte en controleerbare synthesestrategieën. Volgens Dai en Hu moeten onderzoekers zich concentreren op het overwinnen van de belangrijkste uitdagingen om grootschalige, reproduceerbare C-MFEC’s te genereren met uniforme en stabiele elektrokatalytische actieve sites voor specifieke reacties.

Deze barrières omvatten het ontwikkelen van een betere synthese en nauwkeurige controle van de structuur en eigenschappen van C-MFEC’s; verbetering van de karakterisering van de katalysatoren en hun actieve sites om theoretische modellering beter te informeren; ontwikkeling van multifunctionele C-MFEC’s; en het voorbereiden van C-MFEC’s voor industrialisatie.

“Ons doel is om een ​​tijdige en beknopte, maar kritische beoordeling te geven van de recente vooruitgang in de ontwikkeling van C-MFEC’s als zinvolle leidraad voor het ontwerp en de synthese van hoogwaardige C-MFEC’s.” Hu zei.