Ett team av forskare har gjort betydande framsteg när det gäller att förstå metall-kväve-kol (M-N-C) katalysatorer, erbjuda alternativ till dyra platina-grupp-metall (PGM) katalysatorer och en väg till en grönare framtid.
Detaljer om deras resultat publicerades i Journal of Materials Chemistry A den 1 maj 2024.
Väte, känt som "framtidens bränsle", erbjuder många fördelar i övergången till en koldioxidsnål ekonomi. Dess mångsidighet möjliggör tillämpningar inom flera sektorer, inklusive transport, där vätebränsleceller kan driva fordon och därigenom minska utsläppen av växthusgaser och mildra klimatförändringarna. Emellertid kvarstår betydande utmaningar i syrgaselektrokatalys, vilket hindrar utvecklingen av storskaliga tekniker för generering och användning av väte baserad på grön el.
En av de långvariga utmaningarna är beroendet av dyra PGM-katalysatorer för att driva syreelektrokatalys. Som svar på dessa utmaningar har forskare vänt sig till M-N-C-katalysatorer som ett lovande alternativ.
Rapporter under det senaste decenniet har visat att M-N-C-katalysatorer, dopade med jordnära metallelement som 3d-metaller, erbjuder mångsidig prestanda vid syreelektrokatalys, vissa jämförbara med PGM-katalysatorer. Ändå saknas den exakta mekaniken bakom deras elektrokatalytiska aktiviteter; nyckelfaktorer som potentialen för nollladdning (PZC) och solvatiseringseffekter har förbisetts i tidigare studier.
"Vi är vid en kritisk punkt inom hållbar energiteknik", säger Di Zhang, biträdande professor vid Advanced Institute for Materials Research vid Tohoku University och medförfattare till artikeln. "Att förstå faktorerna som påverkar M-N-C-katalysatorers prestanda är avgörande för innovation inom vätegenerering och användning."
Zhang och hans kollegor avslöjade att PZC och solvatiseringseffekter spelar en avgörande roll i pH-beroende aktiviteter, vilket avsevärt påverkar reaktionsenergin.
Genom att utföra storskalig provtagning via ab initio molekylär dynamik och densitetsfunktionella teoriberäkningar, analyserade forskarna tolv distinkta M-N-C-konfigurationer med explicita solvatiseringsmodeller. De observerade betydande variationer i PZC och solvatiseringseffekter baserat på katalysatorstrukturer, metalltyper och kvävekonfigurationer.
"Våra resultat understryker vikten av att överväga PZC och solvatiseringseffekter i mikrokinetisk modellering," tillägger Zhang. "Denna kunskap är avgörande för den rationella designen av högpresterande M-N-C-katalysatorer, vilket påskyndar utvecklingen av hållbar väteteknik."
Mer information: Di Zhang et al, potentialen för nollladdning och solvatiseringseffekter på enatoms M–N–C-katalysatorer för syreelektrokatalys, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D4TA02285H
Journalinformation: Journal of Materials Chemistry A
Tillhandahålls av Tohoku University
