Het beperkte reservoir van fossiele brandstoffen en de steeds toenemende dreiging van klimaatverandering hebben onderzoekers aangemoedigd om alternatieve technologieën te ontwikkelen om milieuvriendelijke brandstoffen te produceren. Groene waterstof die wordt opgewekt uit de elektrolyse van water met behulp van hernieuwbare elektriciteit, wordt beschouwd als een hernieuwbare energiebron van de volgende generatie voor de toekomst. Maar in werkelijkheid wordt de overgrote meerderheid van waterstofbrandstof verkregen door de raffinage van fossiele brandstoffen vanwege de hoge kosten van elektrolyse.

Momenteel is de efficiëntie van waterelektrolyse beperkt en vereist vaak een hoge celspanning vanwege het ontbreken van efficiënte elektrokatalysatoren voor waterstofontwikkelingsreacties. Edelmetalen zoals platina (Pt) worden gebruikt als katalysatoren om de waterstofproductie in zowel zure/alkalische media te verbeteren. Deze edelmetaalkatalysatoren zijn echter erg duur en vertonen een slechte stabiliteit bij langdurig gebruik.

Katalysatoren met één atoom hebben voordelen ten opzichte van hun tegenhangers op basis van nanomateriaal, waarbij een atoomgebruik tot 100 procent wordt bereikt, terwijl alleen de oppervlakte-atomen van nanodeeltjes beschikbaar zijn voor reactie. Vanwege de eenvoud van het enkel-metaalatoomcentrum is het echter nogal moeilijk om de katalysatoren verder te modificeren om complexe meerstapsreacties uit te voeren.

De eenvoudigste manier om de enkele atomen aan te passen, is door ze om te zetten in dimeren met één atoom, die twee verschillende enkelvoudige atomen met elkaar combineren. Het afstemmen van de actieve plaats van katalysatoren met één atoom met dimeren kan de reactiekinetiek verbeteren dankzij het synergetische effect tussen twee verschillende atomen. Hoewel de synthese en identificatie van de enkelatoomdimeerstructuur conceptueel bekend was, was de praktische realisatie ervan erg moeilijk.

Dit probleem werd aangepakt door een onderzoeksteam onder leiding van Associate Director LEE Hyoyoung van het Center for Integrated Nanostructure Physics binnen het Institute for Basic Science (IBS) aan de Sungkyunkwan University. Het IBS-onderzoeksteam heeft met succes een atomair gedispergeerde Ni-Co-dimeerstructuur ontwikkeld, gestabiliseerd op een met stikstof gedoteerde koolstofdrager, die NiCo-SAD-NC werd genoemd.

"We synthetiseerden Ni-Co enkelvoudige atoomdimeerstructuur op stikstof (N)-gedoteerde koolstofdrager via in-situ insluiting van Ni / Co-ionen in de polydopaminebol, gevolgd door pyrolyse met nauwkeurig gecontroleerde N-coördinatie. We gebruikten state-of- ultramoderne transmissie-elektronenmicroscopie en röntgenabsorptiespectroscopie om deze NiCo-SAD-locaties met atomaire precisie met succes te identificeren", zegt Ashwani Kumar, de eerste auteur van het onderzoek.

De onderzoekers ontdekten dat gloeien gedurende twee uur bij 800°C in een argonatmosfeer de beste conditie was om de dimeerstructuur te verkrijgen. Andere dimeren met één atoom, zoals CoMn en CoFe, kunnen ook met dezelfde methode worden gesynthetiseerd, wat de algemeenheid van hun strategie bewijst.

Het onderzoeksteam evalueerde de katalytische efficiëntie van dit nieuwe systeem in termen van het overpotentieel dat nodig is om de waterstofevolutiereactie aan te sturen. De NiCo-SAD-NC elektrokatalysator had een vergelijkbaar overspanningsniveau als commerciële op Pt gebaseerde katalysatoren in zure en alkalische media. NiCo-SAD-NC vertoonde ook een acht keer hogere activiteit dan Ni/Co-katalysatoren met één atoom en heterogene NiCo-nanodeeltjes in alkalische media. Tegelijkertijd bereikte het een 17 en 11 keer hogere activiteit dan respectievelijk Co- en Ni-katalysatoren met één atoom, en 13 keer hoger dan conventionele Ni/Co-nanodeeltjes in zure media.

Bovendien toonden de onderzoekers de stabiliteit op lange termijn van de nieuwe katalysator aan, die de reactie 50 uur kon aansturen zonder enige verandering van structuur. De NiCo-SAD vertoonde superieure waterdissociatie en optimale protonadsorptie in vergelijking met andere enkelvoudige dimeren en Ni/Co enkelvoudige atoomplaatsen, waardoor de pH-universele katalysatoractiviteit werd gestimuleerd op basis van de simulatie van de dichtheidsfunctionaaltheorie.

"We waren erg enthousiast om te ontdekken dat de nieuwe NiCo-SAD-structuur watermoleculen dissocieert met een veel lagere energiebarrière en de waterstofevolutiereactie versnelt in zowel alkalische als zure media met prestaties die vergelijkbaar zijn met die van Pt, die de tekortkomingen van de individuele Ni aanpakte. en Co single-atom katalysatoren. De synthese van een dergelijke single-atom dimeerstructuur was een langdurige uitdaging op het gebied van single-atom katalysatoren", merkt Associate Director Lee op, de corresponderende auteur van het onderzoek.

Hij legt verder uit:"Deze studie brengt ons een stap dichter bij een koolstofvrije en groene waterstofeconomie. Deze zeer efficiënte en goedkope elektrokatalysator voor waterstofopwekking zal ons helpen de langetermijnuitdagingen van kostenconcurrerende groene waterstofproductie te overwinnen:het produceren van hoogwaardige zuiver waterstof voor commerciële toepassingen tegen een lage prijs en op een milieuvriendelijke manier."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications . + Verder verkennen

Een nieuwe katalysator met één atoom kan in een uitzonderlijk tempo waterstof produceren uit ureum