3D-bild av enstaka koboltatomer på kväve-dopad grafen. Det var avgörande för denna studie att kontrollera koordinationsmiljön för en enda koboltatom, eftersom denna koordineringsstruktur direkt påverkar de katalytiska egenskaperna hos den totala katalysatorn. Upphovsman:IBS
IBS -forskare och deras kollegor har nyligen rapporterat en ultimat elektrokatalysator som tar upp alla problem som stör H 2 O 2 produktion. Denna nya katalysator innefattar den optimala Co-N 4 molekyler inkorporerade i kväve-dopad grafen, Co 1 -NG (O), uppvisar en rekordhög elektrokatalytisk reaktivitet, producerar upp till 8 gånger högre än mängden H 2 O 2 som kan genereras från ganska dyra ädelmetallbaserade elektrokatalysatorer.
Precis som vi tar en dusch för att tvätta bort smuts och andra partiklar, halvledare kräver också en rengöringsprocess. Dock, dess rengöring går till ytterligheter för att säkerställa att även spårföroreningar "lämnar inga spår". Efter att alla chip -tillverkningsmaterial har applicerats på en kiselskiva, en strikt rengöringsprocess vidtas för att avlägsna kvarvarande partiklar. Om detta rengörings- och partikelborttagningssteg med hög renhet går fel, elektriska anslutningar i chipet kommer sannolikt att drabbas av det. Med ständigt miniatyriserade prylar på marknaden, elektronikindustrins renhetsstandarder når en nivå som motsvarar att hitta en nål i en öken.
Det förklarar varför väteperoxid (H 2 O 2 ), en stor elektronisk rengöringskemikalie, är en av de mest värdefulla kemiska råvarorna som ligger till grund för spånindustrin. Trots den allt större betydelsen av H 2 O 2 , dess industri har lämnats med en energiintensiv och flerstegsmetod som kallas antrakinonprocessen. Detta är en miljövänlig process som involverar hydreringssteget med användning av dyra palladiumkatalysatorer. Alternativt, H 2 O 2 kan syntetiseras direkt från H 2 och O. 2 gas, även om reaktiviteten fortfarande är mycket dålig och det kräver högt tryck. En annan miljövänlig metod är att elektrokemiskt reducera syre till H 2 O 2 en via 2-elektronväg. Nyligen, ädelmetallbaserade elektrokatalysatorer (t.ex. Au-Pd, Pt-Hg, och Pd-Hg) har visats visa H 2 O 2 produktivitet även om sådana dyra investeringar har sett låg avkastning som inte uppfyller de skalbara industrins behov.
Stämning på atomnivå av Co-N4/grafenkatalysator. Koboltatomer samordnas med fyra kväveatomer som bildar kvadratisk plan Co-N4-struktur på kväve-dopad grafen (Co-N4/grafen). Forskare kan kontrollera laddningstillståndet för koboltatomer genom att införa elektronrika (t.ex. syre) eller elektronfattiga (t.ex. väte) atomer nära Co-N4-strukturen. Specifikt, när elektronrika syreatomer var nära Co-N4 (Co-N4 (O)), koboltatomernas laddningstillstånd minskade något och blev till elektronfattig kobolt som uppvisade betydande förbättringar av elektrokemisk H2O2-produktion. Omvänt, när elektronrika väteatomer var nära Co-N4-strukturen, Co-N4 (2H), koboltatomen blev elektronrik vilket gjorde den mindre gynnsam för H2O2-produktion. Upphovsman:IBS
Forskare vid Center for Nanoparticle Research (ledd av direktör Taeghwan Hyeon och vice direktör Yung-Eun Sung) inom Institute for Basic Science (IBS) i samarbete med professor Jong Suk Yoo vid University of Seoul rapporterar nyligen om en ultimat elektrokatalysator som vänder sig till alla av de frågor som hindrar H 2 O 2 produktion. Denna nya katalysator innefattar den optimala Co-N 4 molekyler inkorporerade i kväve-dopad grafen, Co 1 -NG (O), uppvisar en rekordhög elektrokatalytisk reaktivitet, producerar upp till 8 gånger mer H 2 O 2 än kan genereras från relativt dyra ädelmetallbaserade elektrokatalysatorer (t.ex. Pt, Au-Pd, Pt-Hg och så vidare). De syntetiserade katalysatorerna är gjorda av element minst 2000 gånger billigare (Co, N, C, och O) än den konventionella palladiumkatalysatorn, och de är exceptionellt stabila utan aktivitetsförlust över 110 timmars H 2 O 2 produktion.
Typiskt involverande olika faser av katalysatorer (vanligtvis fasta) och reaktanter (gas), heterogena katalysatorer utnyttjas allmänt i många viktiga industriella processer. Fortfarande, Man trodde att deras katalytiska egenskap kontrollerades endast genom att ändra beståndsdelarna. I den här studien, forskarna verifierade att de kan framkalla en specifik interaktion på heterogena katalysatorer genom att finjustera de lokala atomkonfigurationerna av elementen som ses i enzymkatalysatorer (figur 2). Regissör Hyeon, motsvarande författare till studienoteringar, "den här studien visade framgångsrikt möjligheten att kontrollera en katalytisk egenskap genom att stämma atomkompositioner. Denna upptäckt kan föra oss närmare att upptäcka de grundläggande egenskaperna hos katalytiska aktiviteter."
Baserat på teoretisk analys, det verifierades att laddningstätheten för en koboltatom på kvävedopad grafen är starkt beroende av koordinationsstrukturen som omger koboltatomen. Därför, forskarna kunde kontrollera elektrontätheten av koboltatomer genom att införa antingen elektronrika eller elektronfattiga arter som syre eller väteatomer. När elektronrika syreatomer finns i närheten, Co-atomer blir elektronbristiga. Å andra sidan, när en elektronrik väteatom är i närheten, den motsatta trenden hittades (vilket skulle generera elektronrika Co-atomer). Mycket intressant, elektrondensiteten för Co -atomer var kritisk för det elektrokemiska H 2 O 2 produktion.
Sammanfattning av H2O2 -produktivitet för olika elektrokatalysatorer. 1 kg optimerad Co1-NG (O) katalysator kan producera 341,2 kg H2O2 inom 1 dag, vilket är upp till 8 gånger högre mängden H2O2 som kan produceras av de toppmoderna ädelmetallelektrokatalysatorerna. Upphovsman:IBS
Nästa, forskarna utformade den optimala koboltatomstrukturen (Co 1 -N 4 (O)) genom att ha alla nödvändiga villkor, såsom exakt val av element, syntes temperatur och olika experimentella villkor uppfylls. Kombinera teoretiska simuleringar och nanomaterialsyntestekniker, forskarna kunde styra den katalytiska egenskapen i atomprecision. Med elektronfattiga Co-atomer (Co 1 -NG (O)), de kunde producera H 2 O 2 med betydligt hög aktivitet och stabilitet, långt överstiger de toppmoderna ädelmetallkatalysatorerna. Omvänt, elektronrika Co-atomer uppvisade en hög reaktivitet för syrereduktionsreaktion med 4 elektroner mot H2O-bildning, vilket kan vara användbart för bränslecellstillämpningar.
Förvånande, 341,2 kg H 2 O 2 kan produceras inom 1 dag vid rumstemperatur och atmosfärstryck med användning av 1 kg Co1-NG (O) katalysator. Denna mängd H 2 O 2 är upp till 8 gånger högre mängden H 2 O 2 produceras av de toppmoderna ädelmetallkatalysatorerna (fig 3). Co 1 -N 4 (O)) är en katalysator som tillåter lågkostnad, effektiv, och miljövänlig produktion av H 2 O 2 .
Professor Sung, motsvarande författare säger, "För första gången, fann vi att heterogena katalysatorers katalytiska egenskap kan finjusteras med atomprecision. Detta resultat utan motstycke hjälper oss att förstå tidigare okända aspekter av elektrokemisk H 2 O 2 produktion. Med denna kunskap, vi skulle kunna designa en skalbar katalysator som helt och hållet består av jordartade element (Co, N, C, och O). "
Studien publiceras i Naturmaterial .
