Een onderzoeksteam onder leiding van de City University of Hong Kong (CityU) heeft een baanbrekende vooruitgang geboekt op het gebied van nanomaterialen door met succes een zeer efficiënte elektrokatalysator te ontwikkelen die de productie van waterstof aanzienlijk kan verbeteren door middel van elektrochemische watersplitsing.

Deze doorbraak heeft een groot toepassingspotentieel voor de schone energie-industrie.

Professor Zhang Hua, Herman Hu voorzitter hoogleraar nanomaterialen bij CityU, en zijn team hebben een elektrokatalysator ontwikkeld door gebruik te maken van de transitiemetaaldichalcogenide (TMD) nanosheets met onconventionele kristalfasen als dragers. De elektrokatalysator vertoont superieure activiteit en uitstekende stabiliteit bij de elektrokatalytische waterstofontwikkelingsreactie in zure media.

"Onze onderzoeksresultaten zijn significant in die zin dat de waterstof die wordt gegenereerd door de elektrochemische watersplitsing wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende schone energieën om fossiele brandstoffen in de nabije toekomst te vervangen, waardoor de milieuvervuiling en het broeikaseffect worden verminderd", aldus professor Zhang. /P>

Deze belangrijke bevinding is gepubliceerd in het tijdschrift Nature met de titel "Fase-afhankelijke groei van Pt op MoS₂ voor zeer efficiënte H₂ evolutie."

Professor Zhang zei dat de sleutel tot het onderzoek naar elektrokatalytische watersplitsing het ontwikkelen van zeer efficiënte en stabiele katalysatoren is. Het is van groot belang om een ​​geschikte drager te kiezen om de activiteit en stabiliteit van katalysatoren tijdens het proces te verbeteren.

Als opkomend tweedimensionaal (2D) materiaal zijn TMD-nanosheets van groot belang onder onderzoekers vanwege hun unieke fysische en chemische eigenschappen.

Er is ontdekt dat fase een uiterst belangrijke factor is die de eigenschappen en functies van TMD-nanosheets bepaalt. Molybdeendisulfide (MoS₂ ) met de conventionele 2H-fase vertoont een halfgeleidereigenschap, terwijl MoS₂ met onconventionele 1T- of 1T′-fase vertoont metaalachtige of semi-metaalachtige eigenschappen en bezit dus een goede geleiding.

De productie van onconventionele TMD-nanosheets met hoge fasezuiverheid en hoge kwaliteit blijft echter een uitdaging. Het onderzoek naar het effect van de TMD-kristalfase op de groei van andere materialen bevindt zich nog in een vroeg stadium.

De afgelopen jaren heeft het onderzoeksteam van professor Zhang een aantal nieuwe methoden ontwikkeld, zoals vastgasreacties en zoutondersteunde synthese, en met succes een aantal fasezuivere en hoogwaardige TMD-kristalmaterialen met onconventionele 1T′ bereid. fase.

Vanwege hun unieke semi-metallische eigenschappen hebben deze nanomaterialen een groot potentieel voor toepassingen op het gebied van opto-elektronische apparaten, katalyse, energieopslag en supergeleiding.

In dit onderzoek heeft het team met succes een nieuwe methode ontwikkeld om TMD-nanosheets met onconventionele fasen te bereiden. Ze onderzochten ook de kristalfase-afhankelijke groei van edelmetalen op 1T′-TMD- en 2H-TMD-nanosheets.

Ze ontdekten dat het gebruik van de conventionele 2H-TMD als sjabloon de epitaxiale groei van platina (Pt) nanodeeltjes vergemakkelijkt, terwijl de onconventionele 1T′-TMD-sjabloon enkelvoudig atomair verspreide Pt-atomen (s-Pt) ondersteunt. Op basis van deze bevindingen ontwikkelde het team de enkelvoudig atomair verspreide Pt-atomen/1T′-fase molybdeendisulfide (s-Pt/1T′-MoS₂ ) katalysator.

Om de beperking van het massatransport van op Pt gebaseerde katalysatoren bij elektrokatalytische waterstofontwikkelingsreacties in zure media te overwinnen, heeft het team voor het testen een geavanceerde drijvende-elektrodetechnologie gebruikt.

Uit hun experimentele resultaten bleek dat de s-Pt/1T′-MoS₂ de katalysator vertoonde een hoge massaactiviteit van 85±23 A mg_Pt ^-1 bij een overpotentiaal van −50 mV en een massa-genormaliseerde uitwisselingsstroomdichtheid (127 A mg_Pt ^-1 ). Bovendien kan de katalysator 500 uur stabiel werken in een waterelektrolyseapparaat met protonenuitwisselingsmembraan, wat een veelbelovend toepassingspotentieel laat zien.

Het team onderzocht systematisch de fase-afhankelijke groei van edelmetalen op 1T′-TMD en 2H-TMD nanosheets, en toonde aan dat 1T′-TMD nanosheets effectieve dragers voor katalysatoren kunnen zijn.

"De gesynthetiseerde nieuwe elektrokatalysator vertoont superieure activiteit en uitstekende stabiliteit in de elektrokatalytische waterstofevolutiereactie in zure media, en zal een uiterst belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van schone energie in de toekomst", zegt Dr. Shi Zhenyu, postdoc bij het Departement van Geneeskunde. Scheikunde en de eerste auteur van het artikel.

De bevindingen hebben de reikwijdte van "Phase Engineering of Nanomaterials" (PEN) uitgebreid, waardoor een nieuwe weg is vrijgemaakt voor het ontwerp en de synthese van zeer efficiënte katalysatoren. Professor Zhang zei dat het team in de toekomst het onderzoek naar de op 1T′-TMD gebaseerde katalysator en de vooruitzichten ervan in industriële toepassing zal voortzetten, om bij te dragen aan schone energie en duurzame ontwikkeling.

De corresponderende auteurs zijn professor Zhang en professor Anthony R. J. Kucernak van de afdeling scheikunde, Imperial College London. Dit onderzoeksproject bracht medewerkers van universiteiten en onderzoeksinstituten uit Hong Kong, het vasteland van China, Singapore en het Verenigd Koninkrijk samen, wat het belang aantoonde van internationale samenwerking bij het bereiken van wetenschappelijke doorbraken.

Meer informatie: Zhenyu Shi et al, Fase-afhankelijke groei van Pt op MoS2 voor zeer efficiënte H2-evolutie, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06339-3

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door de stadsuniversiteit van Hong Kong