Chemici van de National University of Singapore hebben een methode ontwikkeld om nanodeeltjes van edelmetaal in gelaagde, quasi-tweedimensionale (2-D) materialen voor efficiënte waterstofproductie.

Waterstof is een schone brandstof die in een brandstofcel kan worden verbrand om energie te produceren met een minimale impact op het milieu. Een methode om waterstof te produceren is door elektriciteit te gebruiken voor gemorste watermoleculen, in aanwezigheid van een katalysator. NUS-onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om stabiele en selectieve katalysatoren te maken die kunnen worden gebruikt voor een efficiënte waterstofproductie. Hun methode kapselt edelmetaalnanodeeltjes in quasi-2-D materialen in door een eenvoudige in-situ reductiemethode. Dit is alsof je de ingrediënten tussen stukjes brood in een sandwich doet. Deze nieuwe methode is een eenvoudigere manier om deze structuur te produceren, het omslachtige exfoliatieproces van 2D nanosheets vermijden. De beperkte ruimte binnen de quasi-2-D-lagen zorgt voor een goed gecontroleerde omgeving waarin katalyse kan plaatsvinden. Het voorkomt ook dat grotere verontreinigende stoffen of neutrale moleculen het katalytische proces beïnvloeden. In hun testen, de katalysatoren vertonen een uitstekende activiteit en stabiliteit op lange termijn wanneer ze worden gebruikt voor de productie van waterstof.

Interface beperkte reacties, die de binding van reactanten met katalytische centra kan moduleren en de snelheid van het massatransport vanuit de bulkoplossing kan beïnvloeden, zijn naar voren gekomen als een haalbare strategie voor het bereiken van een zeer stabiele en selectieve katalyse. Echter, de opsluiting van nanodeeltjes in 2D, gelaagde materialen is een uitdaging vanwege de sterke van der Waals-kracht tussen aangrenzende nanosheets. Conventionele methoden die gebaseerd zijn op de diffusie van ionenvoorlopers door capillaire kracht zijn niet haalbaar om dit doel te bereiken.

Prof. LOH Kian Ping, samen met zijn Ph.D. studenten CHEN Zhongxin, LENG Kai, ZHAO Xiaoxu, van het departement scheikunde, NUS, gebruikten een ingenieuze strategie op basis van de in-situ reductie van ionenprecursoren om nanodeeltjes in de binnenruimten van het gastheermateriaal te introduceren. De groei van nanodeeltjes in een besloten ruimte resulteert in een kleinere deeltjesgrootte met verbeterde katalytische prestaties. Deze onderzoeksdoorbraak komt tot stand in samenwerking met elektrochemicus, Prof YEO Boon Siang van de afdeling Chemie, NUS. Prof Yeo onderzocht de anisotrope diffusiekinetiek van reactanten om de uitstekende stabiliteit op lange termijn van deze katalysatoren te verklaren.

In tegenstelling tot ander onderzoek naar 2D-katalysatoren, dit werk omvat niet de afschilfering van 2-D nanosheets, wat een ingewikkeld proces is. In plaats daarvan, maakten de onderzoekers gebruik van zeer reductieve, gelithieerde gastheermaterialen (LixMoS2) om te reageren met ionenvoorlopers. Dit biedt een sterke drijvende kracht om van der Waals-interacties te overwinnen en transformeert de quasi-2-D-materialen in een uniek, MoS2 | edele metalen | MoS2-sandwichstructuur (Figuur 1). De onderzoekers toonden verder industriële schaalbaarheid aan door een 25 cm2 met katalysator beladen watersplitsingsmembraan te fabriceren en te testen. Dit is ongekend in het huidige 2D-onderzoek, die vaak worden beperkt door de grootte van de geëxfolieerde vlokken en de moeilijkheid bij het spincoaten van een continue film. De synergetische interactie tussen gastheer en gast zorgt voor ultrastabiele, langdurige werking van de katalysator voor waterstofproductie. Het heeft ook een verminderde metaalbelading in vergelijking met in de handel verkrijgbare katalysator. Dit nieuwe concept van opsluiting met behulp van 2D-materialen kan mogelijk worden toegepast op vele andere katalytische reacties waarbij energiegerelateerde toepassingen betrokken zijn.