Även om väte föreslås allmänt som ett alternativt bränsle med noll koldioxidutsläpp, Merparten av kommersiell vätebränsleproduktion kommer från raffinering av fossila bränslen. Den begränsade behållaren av fossila bränslen och deras negativa påverkan på miljön har uppmuntrat forskare att utveckla alternativ teknik för att producera vätebränsle genom en miljövänlig process. Sådant "grönt väte" kan produceras från elektrolys av vatten, som är rik på naturen, använder el från en förnybar energikälla. Dock, vattenelektrolysens effektivitet är väsentligt begränsad på grund av den tröga syreutvecklingsreaktionen (OER), som kräver en hög termodynamisk spänning på 1,23 V.

För att spara energi för väteproduktion, att ersätta trögvattenelektrolys med ureaoxidationsreaktion (UOR) ger ett stort löfte, på grund av termodynamiskt gynnsamma (0,37 V, termodynamisk spänning) betingelser för ureaelektrolys. Det finns en ytterligare fördel med att mildra frågan om ureaförorening, var runt 2, 200 miljarder ton urearikt avloppsvatten släpps ut i floden varje år. Katalysatorer baserade på ädelmetaller, såsom platina (Pt) och rodium (Rh), används för att öka hastigheten för oxidationsprocessen. Dock, dessa ädelmetallkatalysatorer är mycket dyra och uppvisar dålig prestanda under långsiktig drift.

Nyligen, single-atom-katalysatorer (SAC) har visat exceptionella prestanda jämfört med nanomaterialbaserade motsvarigheter. Dock, låg metallbelastning ( <3 viktprocent) av SAC, som orsakas av ytatomernas tendens att migrera, utgör en allvarlig utmaning för en skalbar applikation.

Leds av biträdande direktör LEE Hyoyoung från Center for Integrated Nanostructure Physics inom Institute for Basic Science (IBS) vid Sungkyunkwan University, IBS-forskargruppen utvecklade en strategi för att uppnå ultrahög lastning av enskilda metallatomplatser. Detta uppnåddes genom att införa ytbelastning på stödmaterialet, vilket möjliggjorde exceptionell ureaoxidation som hjälpte vätebränsleproduktion.

"Vi använde flytande kvävekylningsmetod för att generera dragkraft på ytan av koboltoxid (Co ₃ O ₄ ). Den ultrahöga kylhastigheten expanderar gitterparametern för det släckta provet på grund av termisk expansion, vilket ger upphov till dragspänning på oxidytan. Den ansträngda ytan av Co ₃ O ₄ stabiliserade ~ 200% högre laddning av rodium enkel atom (Rh _SA ; 6,6 viktprocent bulkbelastning och 11,6 viktprocent ytbelastning) platser jämfört med den orörda Co ₃ O ₄ yta. Vi fann att den ansträngda ytan avsevärt kan öka migrationsenergibarriären för Rh _SA jämfört med den orörda ytan, hämmar deras migration och agglomerering, "säger doktoranden, Ashwani Kumar, studiens första författare.

"Vi var mycket glada över att upptäcka att den höga belastningen av Rh _SA stabiliserad på den ansträngda Co ₃ O ₄ ytan visade exceptionell UOR -aktivitet och stabilitet i både alkaliska och sura medier, vilket var mycket bättre än det kommersiella Pt/C och Rh/C. Denna ytbelastningsstrategi inom området för SAC har aldrig rapporterats förrän våra resultat, "konstaterar biträdande direktör Lee, motsvarande författare till studien. Forskarna fann också att denna strategi för högladdning av en-atomplatser inte bara var begränsad till rodium. Ultrahög belastning av andra ädelmetaller som platina, iridium, och ruteniumbaserade enkelatomplatser stabiliserades också med användning av den ansträngda ytstrategin, vilket ger grund för en mer allmän tillämpning av denna upptäckt.

Forskargruppen utvärderade den katalytiska effektiviteten och arbetsspänningen som behövs för ureaoxidation med hjälp av denna nya katalysator. Den avancerade katalysatorn (Rh _SA på ansträngda Co ₃ O ₄ ) krävs endast 1,28 V mot reversibel väteelektrod (RHE) för att uppnå en strömtäthet på 10 mA (milliampere) per cm2 av elektroden, som var lägre än kraven för de kommersiella Pt- och Rh -katalysatorernas krav på 1,34 och 1,45 V, respektive. Dessutom, katalysatorn visade också långsiktig stabilitet i 100 timmar utan någon strukturändring. Gruppen använde densitetsfunktionell teori simulering för att utforska ursprunget till den nya katalysatorns extraordinära prestanda, vilket avslöjades bero på överlägsen ureaadsorption och stabilisering av CO*/NH* mellanprodukter. Vidare, elektrolysen av urea sparade ~ 16,1% mer energi jämfört med vattenelektrolys för vätegenerering.

Associate Director Lee förklarar, "Den här studien ger en allmän strategi för att stabilisera högbelastning av en-atomplatser för skalbara applikationer, vilket var ett långvarigt problem vid inlämnandet av SAC. Dessutom, denna studie tar oss ett steg närmare en kolfri och energibesparande väteekonomi. Denna mycket effektiva ureaoxidationselektrokatalysator hjälper oss att övervinna de långsiktiga utmaningarna vid förädlingen av fossila bränslen:att producera väte med hög renhet för kommersiella applikationer till ett lågt pris och på ett miljövänligt sätt. "

Studien publicerades 30 september i Energi- och miljövetenskap .