Experimenten met röntgenstralen op twee bundellijnen bij de Australische Synchrotron hebben geholpen bij het karakteriseren van een nieuwe klasse van enkel-atoomkatalysatoren (SAC's) ondersteund op koolstofnanobuizen die een uitstekende elektrochemische reductie van CO2 tot CO vertonen. Een gewichtsbelasting van 20 gew.% voor de nieuwe klasse , nikkel enkel atoom stikstof gedoteerde koolstof nanobuisjes (NiSA-N-CNTs), wordt beschouwd als de hoogste metaalbelasting voor SAC's die tot nu toe zijn gemeld.

Enkele atomen van nikkel, kobalt en ijzer werden ondersteund op met stikstof gedoteerde koolstofnanobuizen via een pyrolysemethode in één pot en vergeleken in het onderzoek.

Een grote internationale samenwerking, onder leiding van prof. San Ping Jiang, Adjunct-directeur van het Fuels and Energy Technology Institute aan de Curtin University of Technology en medewerkers van het Department of Chemical Engineering, hebben een nieuw synthese- en ontwikkelingsproces ontwikkeld voor met stikstof gedoteerde koolstofnanobuizen met een nikkelligand die een hoge katalytische activiteit vertonen.

De studie is gepubliceerd in Geavanceerde materialen en vermeld op de binnenkant van de omslag van de publicatie.

Dr. Bernt Johannessen, instrumentwetenschapper op de röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) bundellijn bij de Australische Synchrotron was een co-auteur van het papier, waaronder ook hoofdonderzoekers van de Curtin University of Technology en medewerkers van de University of Western Australia, Instituut voor Metaalonderzoek (China), Oak Ridge National Laboratory (VS), Universiteit van de Sunshine Coast, Universiteit van Queensland, Tsinghua University (China) en King Abdulaziz University (Saoedi-Arabië). Technische ondersteuning en advies over de zachte röntgenspectroscopie-experimenten werd geleverd door de Australische Synchrotron-instrumentwetenschapper Dr. Bruce Cowie.

"Het hele idee achter de aanpak is dat de kleinere deeltjes die je hebt, hoe katalytischer ze zijn. Als je naar een nanodeeltjesgrootte gaat, je ziet de katalytische activiteit toenemen. En als je dat tot het uiterste doortrekt, je kijkt naar enkele metaalatomen verankerd op een ondersteunend substraat van koolstof, ’ zei Johannessen.

"Omdat oppervlakte-atomen zich anders gedragen dan bulk- of andere atomen, XAS werd gebruikt om te verifiëren dat er inderdaad enkele atomen waren en de positie van die nikkelatomen ten opzichte van andere atomen. We waren in staat om bindingslengtes en coördinatienummers te bepalen."

Het toevoegen of aftrekken van afzonderlijke atomen van een deeltje opent de mogelijkheid om de eigenschappen ervan af te stemmen.

De uitdaging was om de metaalatomen, die zorgen voor een sterke metalen steunband, van interactie met elkaar en aggregeren vanwege hun hogere oppervlakte-energie.

De onderzoekers hebben dit overwonnen door een meerstapsmethode te ontwikkelen om atomair gedispergeerde nikkelatomen op met stikstof gedoteerde CNT's te synthetiseren, waaronder het ontleden van de voorloperoplossing bij hoge temperatuur.

De X-ray Absorptie Near Edge Structure Spectroscopie (XANES) metingen bij de Australian Synchrotron leverden ondersteunend bewijs voor de elektrochemische efficiëntie van NiSA-N-CNT's. De resultaten suggereerden dat de Ni-N-soorten de actieve centra zijn voor de reductiereactie van CO2 tot CO. De enkele nikkelatomen worden vastgehouden door stikstofatomen in de N-gedoteerde koolstofnanobuisstructuur te coördineren en dit helpt de structuur te stabiliseren tegen metaalaggregatie.

De NiSA-N-CNT's vertoonden ook een hogere omzetfrequentie dan andere met stikstof gedoteerde CNT's. De gegevens bevestigden dat er geen duidelijke aggregatie of afbraak van nikkel was en onthulden ook de structurele duurzaamheid van de NiSA-N-CNT's als elektrokatalysatoren.

Een aantal andere technieken en simulaties werden uitgevoerd als onderdeel van de materiaalkarakterisering en om de vermindering van de CO2-reactie te bevestigen.

De nieuwe klasse van SAC's heeft een enorm potentieel met veelbelovende toepassingen op het gebied van elektrokatalyse en katalysatoren voor energieconversie en andere toepassingen.