Details van hun bevindingen zijn gepubliceerd in het Journal of Materials Chemistry A op 1 mei 2024.

Waterstof, bekend als de ‘brandstof van de toekomst’, biedt tal van voordelen in de transitie naar een koolstofarme economie. De veelzijdigheid ervan maakt toepassingen in meerdere sectoren mogelijk, waaronder de transportsector, waar waterstofbrandstofcellen voertuigen kunnen aandrijven, waardoor de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd en de klimaatverandering wordt beperkt. Er blijven echter aanzienlijke uitdagingen bestaan ​​op het gebied van de zuurstofelektrokatalyse, waardoor de ontwikkeling van grootschalige technieken voor de opwekking en het gebruik van waterstof op basis van groene elektriciteit wordt belemmerd.

Een van de al lang bestaande uitdagingen is de afhankelijkheid van dure PGM-katalysatoren om zuurstofelektrokatalyse aan te drijven. Als reactie op deze uitdagingen hebben onderzoekers zich tot M-N-C-katalysatoren gewend als veelbelovend alternatief.

Rapporten van het afgelopen decennium hebben aangetoond dat M-N-C-katalysatoren, gedoteerd met metaalelementen die overvloedig aanwezig zijn in de aarde, zoals 3D-metalen, veelzijdige prestaties bieden bij zuurstofelektrokatalyse, waarvan sommige vergelijkbaar zijn met PGM-katalysatoren. Toch blijft het exacte mechanisme achter hun elektrokatalytische activiteiten ontbreken; sleutelfactoren zoals het potentieel van zero charge (PZC) en solvatatie-effecten zijn in eerdere onderzoeken over het hoofd gezien.

• .

• .

"We bevinden ons op een cruciaal punt in duurzame energietechnologieën", zegt Di Zhang, assistent-professor aan het Advanced Institute for Materials Research aan de Tohoku Universiteit en co-auteur van het artikel. "Het begrijpen van de factoren die de prestaties van M-N-C-katalysatoren beïnvloeden is essentieel voor innovatie op het gebied van de productie en het gebruik van waterstof."

Zhang en zijn collega's onthulden dat PZC's en solvatatie-effecten een cruciale rol spelen bij pH-afhankelijke activiteiten, en een aanzienlijke invloed hebben op de reactie-energetica.

Door grootschalige bemonstering uit te voeren via ab initio moleculaire dynamica en berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, analyseerden de onderzoekers twaalf verschillende M-N-C-configuraties met expliciete solvatatiemodellen. Ze observeerden substantiële variaties in PZC's en solvatatie-effecten op basis van katalysatorstructuren, metaaltypen en stikstofconfiguraties.

"Onze bevindingen onderstrepen het belang van het overwegen van PZC- en solvatatie-effecten bij microkinetische modellering", voegt Zhang toe. "Deze kennis is cruciaal voor het rationeel ontwerp van hoogwaardige M-N-C-katalysatoren, waardoor de ontwikkeling van duurzame waterstoftechnologieën wordt versneld."

Meer informatie: Di Zhang et al., Het potentieel van nullading en solvatatie-effecten op M-N-C-katalysatoren met één atoom voor zuurstofelektrokatalyse, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA02285H

Journaalinformatie: Journal of Materials Chemistry A

Aangeboden door Tohoku Universiteit