Det snabbt växande området grön energi söker ständigt förbättringar, och de senaste framstegen inom katalysatorer med två atomer har potentialen att revolutionera energiomvandlingsteknologier.
I jakten på hållbara alternativ till kolbaserade energikällor är behovet av snabba, effektiva och skalbara teknologier avgörande. Vattenuppdelningssystem (WWS), som förlitar sig på solcellsdrivna batterier, erbjuder en lovande lösning. Men de intrikata och långsamma reaktionsstegen som är inneboende i WWS begränsar deras skalbarhet för utbredd användning.
Forskare från Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology vid den kinesiska vetenskapsakademin sökte en förbättrad design för att öka hastigheten och stabiliteten hos de huvudsakliga halvreaktionerna som behövs för att WSS ska fungera med hög kaliber:syrereduktionsreaktioner, syreutvecklingsreaktioner och väteutvecklingsreaktioner.
Det visar sig att katalysatorer med dubbla atomer, som överbryggar nanopartikelkatalysatorer med en atom och metall/legering, erbjuder fler möjligheter att förbättra kinetiken och multifunktionella prestanda för reaktioner med syrereduktion/evolution och väteutveckling.
Deras resultat publicerades i Nature Communications .
"Syrreduktion/evolution och väteutvecklingsreaktioner är kärnreaktionerna, som involverar multi-proton-elektronkopplingsprocesser, som är kinetiskt långsamma, så det är angeläget att utveckla effektiva, stabila och billiga elektrokatalytiska material för att förbättra deras omvandlingseffektivitet." sade Jiang Heqing, motsvarande författare om studien.
Dual atom catalysts (DACs), i motsats till single atom catalysts (SACs), som bara har en metallatom per aktiv plats, spelar en central roll inom energikatalysområdet på grund av deras fördelaktiga multifunktionella katalytiska aktivitet, högre atomutnyttjandeeffektivitet, och mer effektiv störning av det linjära förhållandet med reaktionsintermediärer.
Dessutom kommer tillämpningen av SAC på energiomvandlingssystem att avsevärt begränsa energiomvandlingseffektiviteten på grund av de högre reaktionsbarriärerna.
DAC:er drar nytta av den synergistiska effekten mellan deras dubbla metallatomer, vilket möjliggör effektiv modulering av samverkanseffekter mellan dubbla aktiva platser och en avsevärd minskning av de energibarriärer som krävs för reaktionen.
Baserat på fördelarna med DAC:erna är det avgörande att utforska deras syntesmekanism genom högtemperatursintringsstrategier för att förbereda dem och underlätta kommersiella tillämpningar.
"Vi rapporterade en ny atomiserings-/sintringsstrategi för att syntetisera och ställa in konfigurationstillstånden för kobolt (Co) arter på atomnivå, från nanopartiklar till enatom till dubbelatom", säger Huang Minghua, en annan författare och forskare som bidragit till studien.
Finfördelnings-/sintringsstrategin involverar omvandling av kobolt till nanopartiklar (atomisering), som sedan används för att bilda en enkel atom (SA) och dubbla atomer (DA) genom sintringsprocessen.
En av de mer imponerande egenskaperna hos denna strategi och resultaten från denna forskning är tillämpningarna atomisering/sintring kan ha för att göra 21 andra DAC:er. Detta är allt tack vare att man observerar hur dessa DAC bildas via atomiserings-/sintringsprocessen. Ju fler DAC:er det finns, desto fler möjligheter finns att utforska andra sätt att bättre utnyttja energi på ett hållbart sätt.
Testa kapaciteten hos dubbelatomen Co2 N5 i zink-luft-batterier visade lovande resultat. Zn-air-batterierna hade en stabilitet på 800 timmar och möjliggjorde kontinuerlig vattendelning i 1 000 timmar åt gången, vilket visar potentialen för oavbruten drift även under natten.
Arbetet med DAC:er pågår. "Denna universella och skalbara strategi ger möjligheter för kontrollerad design av effektiva multifunktionella katalysatorer med dubbla atomer i energiomvandlingsteknologier", säger Jiang Heqing.
Ytterligare utveckling kan göras för att fortsätta att förbättra förmågan hos bimetalliska katalysatorer. Att se hur de presterar under olika omständigheter kan också vara lärorikt, som hur vattenklyvningssystemet hanterar kalla temperaturer eller havsvatten. Att placera dessa system under ogynnsamma förhållanden kan belysa svårigheter som måste lösas och som kan vara ett hinder för storskalig eller kommersiell användning.
Mer information: Xingkun Wang et al, Utveckling av en klass av dubbla atommaterial för multifunktionella katalytiska reaktioner, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42756-8
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
