IBS-wetenschappers en hun collega's hebben onlangs een ultieme elektrokatalysator gerapporteerd die alle problemen aanpakt die H . hinderen ₂ O ₂ productie. Deze nieuwe katalysator met de optimale Co-N ₄ moleculen ingebouwd in met stikstof gedoteerd grafeen, Co ₁ -NG(O), vertoont een recordhoge elektrokatalytische reactiviteit, produceren tot 8 keer hoger dan de hoeveelheid H ₂ O ₂ die kan worden gegenereerd uit vrij dure op edelmetaal gebaseerde elektrokatalysatoren.

Net zoals we een douche nemen om vuil en andere deeltjes weg te spoelen, halfgeleiders hebben ook een reinigingsproces nodig. Echter, de reiniging gaat tot het uiterste om ervoor te zorgen dat zelfs sporen van verontreinigingen "geen sporen achterlaten". Nadat alle chipfabricagematerialen op een siliciumwafel zijn aangebracht, er wordt een strikt reinigingsproces gevolgd om restdeeltjes te verwijderen. Als deze zeer zuivere reinigings- en deeltjesverwijderingsstap fout gaat, elektrische verbindingen in de chip hebben daar waarschijnlijk last van. Met steeds verkleinde gadgets op de markt, de zuiverheidsnormen van de elektronica-industrie bereiken een niveau dat overeenkomt met het vinden van een naald in een woestijn.

Dat verklaart waarom waterstofperoxide (H ₂ O ₂ ), een belangrijk elektronisch schoonmaakmiddel, is een van de meest waardevolle chemische grondstoffen die ten grondslag liggen aan de chipindustrie. Ondanks het steeds groeiende belang van H ₂ O ₂ , zijn industrie is achtergebleven met een energie-intensieve en meerstapsmethode die bekend staat als het antrachinonproces. Dit is een milieuonvriendelijk proces waarbij de hydrogeneringsstap met dure palladiumkatalysatoren wordt gebruikt. Alternatief, H ₂ O ₂ kan direct worden gesynthetiseerd uit H ₂ en O ₂ gas, hoewel de reactiviteit nog steeds erg slecht is en hoge druk vereist. Een andere milieuvriendelijke methode is om zuurstof elektrochemisch te reduceren tot H ₂ O ₂ een via 2-elektronenroute. Onlangs, op edelmetaal gebaseerde elektrokatalysatoren (bijvoorbeeld Au-Pd, Pt-Hg, en Pd-Hg) is aangetoond dat H ₂ O ₂ productiviteit, hoewel dergelijke dure investeringen een laag rendement hebben opgeleverd dat niet voldoet aan de schaalbare behoeften van de industrie.

Onderzoekers van het Center for Nanoparticle Research (onder leiding van directeur Taeghwan Hyeon en vice-directeur Yung-Eun Sung) binnen het Institute for Basic Science (IBS) in samenwerking met professor Jong Suk Yoo van de Universiteit van Seoul rapporteren onlangs een ultieme elektrokatalysator die alle van de problemen die H . belemmeren ₂ O ₂ productie. Deze nieuwe katalysator met de optimale Co-N ₄ moleculen ingebouwd in met stikstof gedoteerd grafeen, Co ₁ -NG(O), vertoont een recordhoge elektrokatalytische reactiviteit, tot 8 keer meer H . produceren ₂ O ₂ dan kan worden gegenereerd uit relatief dure elektrokatalysatoren op basis van edelmetalen (bijvoorbeeld punt, Au-Pd, Pt-Hg enzovoort). De gesynthetiseerde katalysatoren zijn gemaakt van element dat minstens 2000 keer goedkoper is (Co, N, C, en O) dan de conventionele palladiumkatalysator, en ze zijn uitzonderlijk stabiel zonder activiteitsverlies gedurende 110 uur H ₂ O ₂ productie.

Meestal met verschillende fasen van katalysatoren (meestal vast) en reactanten (gas), heterogene katalysatoren worden op grote schaal gebruikt in veel belangrijke industriële processen. Nog altijd, Men dacht dat hun katalytische eigenschap alleen kon worden gecontroleerd door de samenstellende elementen te veranderen. In dit onderzoek, de onderzoekers bevestigden dat ze een specifieke interactie op heterogene katalysatoren kunnen induceren door de lokale atomaire configuraties van de elementen te verfijnen, zoals te zien is in enzymkatalysatoren (Fig. 2). directeur Hyeon, de corresponderende auteur van de studienotities, "Deze studie heeft met succes de mogelijkheid aangetoond om een ​​katalytische eigenschap te beheersen door atomaire composities af te stemmen. Deze bevinding kan ons dichter bij het ontdekken van de fundamentele eigenschappen van katalytische activiteiten brengen."

Op basis van theoretische analyse, er werd geverifieerd dat de ladingsdichtheid van een kobaltatoom op met stikstof gedoteerd grafeen sterk afhankelijk is van de coördinatiestructuur rond het kobaltatoom. Daarom, de onderzoekers konden de elektronendichtheid van kobaltatomen regelen door elektronenrijke of elektronenarme soorten zoals zuurstof- of waterstofatomen te introduceren. Als elektronenrijke zuurstofatomen in de buurt zijn, Co-atomen worden elektron-deficiënt. Anderzijds, wanneer een elektronenrijk waterstofatoom in de buurt is, de tegenovergestelde trend werd gevonden (die elektronenrijke Co-atomen zou genereren). Heel interessant, de elektronendichtheid van Co-atomen was cruciaal voor de elektrochemische H ₂ O ₂ productie.

Volgende, ontwierpen de onderzoekers de optimale atoomstructuur van kobalt (Co ₁ -N ₄ (O)) door alle vereiste voorwaarden te hebben, zoals een nauwkeurige selectie van elementen, synthesetemperatuur en verschillende experimentele omstandigheden voldaan. Door theoretische simulaties en synthesetechnologieën voor nanomaterialen te combineren, de onderzoekers waren in staat om de katalytische eigenschap in atomaire precisie te beheersen. Met elektronenarme Co-atomen (Co ₁ -NG(O)), ze waren in staat om H . te produceren ₂ O ₂ met aanzienlijk hoge activiteit en stabiliteit, ver overtreft de state-of-the-art edelmetaalkatalysatoren. Omgekeerd, elektronenrijke Co-atomen vertoonden een hoge reactiviteit voor 4-elektronenzuurstofreductiereactie op H2O-vorming, wat nuttig zou kunnen zijn voor brandstofceltoepassingen.

Verrassend genoeg, 341,2 kg H ₂ O ₂ kan binnen 1 dag bij kamertemperatuur en atmosferische druk worden geproduceerd met 1 kg Co1-NG(O)-katalysator. Deze hoeveelheid H ₂ O ₂ is tot 8 keer hoger dan de hoeveelheid H ₂ O ₂ geproduceerd door de modernste edelmetaalkatalysatoren (Fig.3). Co ₁ -N ₄ (O)) is een katalysator die goedkope, efficiënt, en milieuvriendelijke productie van H ₂ O ₂ .

Professor Sung, de corresponderende auteur zegt, "Voor de eerste keer, we ontdekten dat de katalytische eigenschap van heterogene katalysatoren kan worden verfijnd met atomaire precisie. Dit ongekende resultaat zal ons helpen om eerdere onbekende aspecten van elektrochemische H . te begrijpen ₂ O ₂ productie. Met deze kennis, zouden we een schaalbare katalysator kunnen ontwerpen die volledig is samengesteld uit aarde-overvloedige elementen (Co, N, C, en O)."

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .