CityU rewolucjonizuje czystą energię poprzez przełom w zakresie wydajnego elektrokatalizatora

Zespół badawczy kierowany przez City University of Hong Kong (CityU) dokonał przełomowego postępu w dziedzinie nanomateriałów, pomyślnie opracowując wysoce wydajny elektrokatalizator, który może znacznie zwiększyć wytwarzanie wodoru poprzez elektrochemiczne rozszczepianie wody.

To przełomowe rozwiązanie ma ogromny potencjał zastosowania w przemyśle czystej energii.

Profesor Zhang Hua, Hermann Hu profesor nanomateriałów w CityU i jego zespół opracowali elektrokatalizator wykorzystujący nanocząstki dichalkogenku metalu przejściowego (TMD) z niekonwencjonalnymi fazami krystalicznymi jako nośnikiem. Elektrokatalizator wykazuje doskonałą aktywność i doskonałą stabilność w reakcji elektrokatalitycznego wydzielania wodoru w środowisku kwaśnym.

„Wyniki naszych badań są ważne w tym sensie, że wodór wytwarzany w drodze elektrochemicznego rozkładu wody jest uważany za jedną z najbardziej obiecujących czystych energii, które w najbliższej przyszłości zastąpią paliwa kopalne, zmniejszając zanieczyszczenie środowiska i efekt cieplarniany” – powiedział profesor Zhang.

To ważne odkrycie zostało opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature pod tytułem „Phase-dependent Growth of Pt on MoS”.₂ Aby uzyskać wysoką wydajność H₂ rozwój”.

Profesor Zhang powiedział, że kluczem do badań nad elektrokatalitycznym rozkładem wody jest opracowanie wysoce wydajnych i stabilnych katalizatorów. Kluczowy jest dobór odpowiedniego nośnika, który zoptymalizuje działanie i stabilność katalizatorów podczas zabiegu.

Jako powstający materiał dwuwymiarowy (2D), nanocząstki TMD cieszą się dużym zainteresowaniem badaczy ze względu na ich wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne. Stwierdzono, że faza jest bardzo ważnym czynnikiem determinującym właściwości i funkcje nanocząstek TMD. Na przykład dwusiarczek molibdenu (MoS₂) z konwencjonalną fazą 2H wykazuje właściwości półprzewodnikowe, natomiast MoS₂ W przypadku niekonwencjonalnej fazy 1T lub 1T wykazuje charakterystykę metaliczną lub półmetaliczną, a zatem ma dobrą przewodność. Jednak wyprodukowanie niekonwencjonalnych nanocząstek TMD o wysokiej czystości fazowej i wysokiej jakości pozostaje wyzwaniem. Badania nad wpływem fazy krystalicznej TMD na wzrost innych materiałów są wciąż na wczesnym etapie.

W ostatnich latach zespół badawczy profesora Zhanga opracował szereg nowych metod, takich jak reakcje gaz-ciało stałe i synteza wspomagana solą, a także z powodzeniem przygotował szereg wysokiej czystości i jakości materiałów krystalicznych TMD z niekonwencjonalnym 1T′. faza. Ze względu na swoje unikalne właściwości półmetaliczne nanomateriały te mają ogromny potencjał zastosowań w dziedzinie urządzeń optoelektronicznych, katalizy, magazynowania energii i nadprzewodnictwa.

W ramach tych badań zespołowi udało się opracować nową metodę przygotowania nanocząstek TMD z niekonwencjonalnymi etapami. Zbadali także zależny od fazy krystalicznej wzrost metali szlachetnych na nanocząstkach 1T′-TMD i 2H-TMD. Odkryli, że zastosowanie konwencjonalnej 2H-TMD jako matrycy ułatwia epitaksjalny wzrost nanocząstek platyny (Pt), podczas gdy niekonwencjonalna matryca 1T′-TMD obsługuje pojedyncze atomowo rozproszone atomy Pt (s-Pt). Na podstawie tych wyników zespół opracował pojedynczy atomowo zdyspergowany disiarczek Pt/molibdenu w fazie 1T′ (s-Pt/1T′-MoS₂) katalizator.

Aby przezwyciężyć ograniczenia przenoszenia masy katalizatorów na bazie Pt w reakcjach elektrokatalitycznego wydzielania wodoru w środowisku kwaśnym, zespół zastosował do testów zaawansowaną technologię elektrod pływających. Wyniki eksperymentów wykazały, że s-Pt/1T′-MoS₂ Katalizator wykazywał wysoką aktywność masową wynoszącą 85±23 mgM_punkt^-1 Przy nadmiarze energii wynoszącym -50 mV i znormalizowanej masowo gęstości prądu wymiany (127 A mg_punkt^-1). Ponadto katalizator może pracować stabilnie przez 500 godzin w elektrolizerze wodnym z membraną do wymiany protonów, co wykazuje obiecujący potencjał aplikacyjny.

Zespół systematycznie badał zależny od fazy wzrost metali szlachetnych na nanocząstkach 1T′-TMD i 2H-TMD i wykazał, że nanocząstki 1T′-TMD mogą służyć jako skuteczny nośnik dla katalizatorów.

„Nowy zsyntetyzowany elektrokatalizator wykazuje doskonałą aktywność i doskonałą stabilność w reakcji elektrokatalitycznego wydzielania wodoru w środowisku kwaśnym i odegra bardzo ważną rolę w rozwoju czystej energii w przyszłości” – powiedział dr Shi Zhenyu, badacz ze stopniem doktora w Instytucie Wydział Chemii. I pierwszy autor artykułu.

Wyniki poszerzyły zakres inżynierii fazowej nanomateriałów (PEN), torując drogę nowemu sposobowi projektowania i syntezy wysoce wydajnych katalizatorów. Profesor Zhang powiedział, że w przyszłości zespół będzie kontynuował badania nad katalizatorem na bazie 1T′-TMD i jego perspektywami w zastosowaniach przemysłowych, aby przyczynić się do czystej energii i zrównoważonego rozwoju.

Autorami korespondującymi są profesor Zhang i profesor Anthony RJ Kocernak z Wydziału Chemii Imperial College London. W tym projekcie badawczym wzięli udział współpracownicy z uniwersytetów i instytutów badawczych z Hongkongu, Chin kontynentalnych, Singapuru i Wielkiej Brytanii, wykazując znaczenie współpracy międzynarodowej w osiąganiu przełomów naukowych.