National University of Singapore kemister har utvecklat en metod för att begränsa ädelmetallnanopartiklar i skiktade, kvasi-tvådimensionella (2-D) material för effektiv väteproduktion.

Väte är ett rent bränsle som kan brännas i en bränslecell för att producera energi med minimal påverkan på miljön. En metod för att producera väte är genom att använda elektricitet till spillda vattenmolekyler, i närvaro av en katalysator. NUS -forskare har utvecklat ett sätt att skapa stabila och selektiva katalysatorer som kan användas för effektiv väteproduktion. Deras metod inkapslar ädelmetall-nanopartiklar i kvasi-2-D-material med en enkel in-situ-reduktionsmetod. Det här är som att lägga ingredienserna mellan brödbitarna i en smörgås. Denna nya metod är ett enklare sätt att producera denna struktur, undvika den tråkiga exfolieringsprocessen för 2-D nanosheets. Det begränsade utrymmet i kvasi-2-D-skikten ger en välkontrollerad miljö för katalys. Det förhindrar också att större föroreningar eller neutrala molekyler påverkar den katalytiska processen. I deras tester, katalysatorerna uppvisar utmärkt aktivitet och långsiktig stabilitet när de används för väteproduktion.

Gränssnittsbegränsade reaktioner, som kan modulera bindningen av reaktanter med katalytiska centra och påverka hastigheten för masstransporten från bulklösning, har framstått som en livskraftig strategi för att uppnå mycket stabil och selektiv katalys. Dock, inneslutning av nanopartiklar i 2-D, skiktade material är utmanande på grund av den starka van der Waalskraften mellan intilliggande nanoskikt. Konventionella metoder som förlitar sig på diffusion av jonprekursorer genom kapillärkraft är inte genomförbara för att uppnå detta mål.

Prof LOH Kian Ping, tillsammans med sin doktorand studenter CHEN Zhongxin, LENG Kai, ZHAO Xiaoxu, från Institutionen för kemi, NUS, använde en genial strategi baserad på in-situ-reduktion av jonprekursorer för att introducera nanopartiklar i inre utrymmen i värdmaterialet. Tillväxten av nanopartiklar inom ett begränsat utrymme resulterar i en mindre partikelstorlek med förbättrad katalytisk prestanda. Detta forskningsgenombrott uppnås i samarbete med elektrokemist, Prof YEO Boon Siang från kemiska institutionen, NUS. Prof Yeo undersökte reaktanternas anisotropa diffusionskinetik för att förklara den utmärkta långsiktiga stabiliteten hos dessa katalysatorer.

Till skillnad från annat forskningsarbete på 2-D-katalysatorer, detta arbete innebär inte exfoliering av 2-D nanosheets, vilket är en komplicerad process. Istället, forskarna utnyttjade mycket reducerande, litierade värdmaterial (LixMoS2) för att reagera med jonprekursorer. Detta ger en stark drivkraft för att övervinna van der Waals interaktioner och förvandlar kvasi-2-D-materialen till ett unikt, MoS2 | ädelmetaller | MoS2 -sandwichstruktur (Figur 1). Forskarna demonstrerade vidare industriell skalbarhet genom att tillverka och testa ett 25 cm2 katalysatorbelastat vattensplittande membran. Detta är utan motstycke i nuvarande 2-D-forskning, som ofta begränsas av storleken på de exfolierade flingorna och svårigheten att snurra över en kontinuerlig film. Den synergetiska värd-gästinteraktionen möjliggör extremt stabil, långsiktig drift av katalysatorn för väteproduktion. Den har också en minskad metallbelastning jämfört med kommersiellt tillgänglig katalysator. Detta nya begrepp om inneslutning med 2-D-material kan eventuellt appliceras på många andra katalytiska reaktioner som involverar energirelaterade applikationer.