Het zich snel ontwikkelende veld van groene energie zoekt voortdurend naar verbeteringen, en recente ontwikkelingen op het gebied van twee-atoomkatalysatoren bieden het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de technologieën voor energieconversie.

Bij het nastreven van duurzame alternatieven voor op koolstof gebaseerde energiebronnen is de behoefte aan snelle, efficiënte en schaalbare technologieën cruciaal. Watersplitsende systemen (WWS's), die vertrouwen op batterijen op zonne-energie, bieden een veelbelovende oplossing. De ingewikkelde en langzame reactiestappen die inherent zijn aan WWS's beperken echter de schaalbaarheid ervan voor wijdverbreid gebruik.

Onderzoekers van het Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology van de Chinese Academie van Wetenschappen zochten naar een verbeterd ontwerp om de snelheid en stabiliteit te vergroten van de belangrijkste halfreacties die nodig zijn om WSS's op een hoog kaliber te laten functioneren:zuurstofreductiereacties, zuurstofevolutiereacties en reacties op waterstofontwikkeling.

Het blijkt dat katalysatoren met twee atomen, die een brug vormen tussen nanodeeltjeskatalysatoren met één atoom en metaal/legeringen, meer mogelijkheden bieden om de kinetiek en multifunctionele prestaties van zuurstofreductie/-evolutie en waterstofevolutiereacties te verbeteren.

Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications .

"Zuurstofreductie/-evolutie en waterstofevolutiereacties zijn de kernreacties, waarbij multi-proton-elektron-koppelingsprocessen betrokken zijn, die kinetisch langzaam zijn, dus het is urgent om efficiënte, stabiele en goedkope elektrokatalytische materialen te ontwikkelen om hun conversie-efficiëntie te verbeteren," zei Jiang Heqing, corresponderend auteur van het onderzoek.

Katalysatoren met twee atomen (DAC's) spelen, in tegenstelling tot katalysatoren met één atoom (SAC's), die slechts één metaalatoom per actieve plaats hebben, een cruciale rol op het gebied van energiekatalyse vanwege hun voordelige multifunctionele katalytische activiteit, hogere atomaire benuttingsefficiëntie, en effectievere verstoring van de lineaire relatie met reactietussenproducten.

Bovendien zal de toepassing van SAC's op energieconversiesystemen de efficiëntie van de energieconversie aanzienlijk beperken vanwege de hogere reactiebarrières.

DAC's profiteren van het synergetische effect tussen hun dubbele metaalatomen, waardoor effectieve modulatie van coöperatieve effecten tussen twee actieve locaties mogelijk wordt en een aanzienlijke vermindering van de energiebarrières die nodig zijn voor de reactie.

Gebaseerd op de voordelen van de DAC's, is het onderzoeken van hun synthesemechanisme via sinterstrategieën bij hoge temperaturen cruciaal om de bereiding ervan te bevorderen en commerciële toepassingen te vergemakkelijken.

"We hebben een nieuwe atomiserings-/sinterstrategie gerapporteerd om de configuratietoestanden van kobalt (Co) -soorten op atomair niveau te synthetiseren en af ​​te stemmen, van nanodeeltjes tot enkel-atoom tot dubbel-atoom", zegt Huang Minghua, een andere auteur en onderzoeker die heeft bijgedragen aan de studie.

De vernevelings-/sinterstrategie omvat de omzetting van kobalt in nanodeeltjes (verneveling), die vervolgens worden gebruikt om via het proces van sinteren een enkel atoom (SA) en een dubbel atoom (DA) te vormen.

Een van de meest indrukwekkende kenmerken van deze strategie en de bevindingen uit dit onderzoek zijn de toepassingen die atomisatie/sintering kan hebben om 21 andere DAC's te maken. Dit is allemaal te danken aan het observeren van hoe deze DAC's worden gevormd via het vernevelings-/sinterproces. Hoe meer DAC's er zijn, hoe meer mogelijkheden er beschikbaar zijn om andere manieren te verkennen om energie beter duurzaam te benutten.

De mogelijkheden van de dual-atom Co₂ testen N₅ in zink-luchtbatterijen lieten veelbelovende resultaten zien. De Zn-luchtbatterijen hadden een stabiliteit van 800 uur en maakten een continue watersplitsing gedurende 1000 uur per keer mogelijk, wat het potentieel aantoonde voor een ononderbroken werking, zelfs tijdens de nacht.

Er wordt gewerkt aan DAC's. "Deze universele en schaalbare strategie biedt kansen voor het gecontroleerde ontwerp van efficiënte multifunctionele twee-atoomkatalysatoren in energieconversietechnologieën", aldus Jiang Heqing.

Er kunnen verdere ontwikkelingen worden gedaan om de capaciteiten van bimetaalkatalysatoren verder te verbeteren. Het kan ook leerzaam zijn om te zien hoe ze presteren onder verschillende omstandigheden, zoals hoe het watersplitsingssysteem omgaat met koude temperaturen of zeewater. Het plaatsen van deze systemen in ongunstige omstandigheden kan problemen aan het licht brengen die moeten worden opgelost en die een belemmering kunnen vormen voor grootschalig of commercieel gebruik.

Meer informatie: Xingkun Wang et al., Een klasse materialen met twee atomen ontwikkelen voor multifunctionele katalytische reacties, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42756-8

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen