Experiment med röntgenstrålar på två strållinjer vid Australian Synchrotron har hjälpt till att karakterisera en ny klass av enkelatomskatalysatorer (SAC) som stöds på kolnanorör som uppvisar enastående elektrokemisk reduktion av CO2 till CO. En viktbelastning på 20 viktprocent för den nya klassen , nickel enatoms kvävedopade kolnanorör (NiSA-N-CNTs), tros vara den högsta metallbelastningen för SAC som hittills rapporterats.

Enstaka atomer av nickel, kobolt och järn stöddes på kvävedopade kolnanorör via en enpots pyrolysmetod och jämfördes i studien.

Ett stort internationellt samarbete, ledd av Prof San Ping Jiang, Biträdande direktör för Fuels and Energy Technology Institute vid Curtin University of Technology och medarbetare från Institutionen för kemiteknik, har utvecklat en ny syntes- och utvecklingsprocess för kvävedopade kolnanorör med en nickelligand som uppvisar hög katalytisk aktivitet.

Studien publicerades i Avancerade material och finns på insidan av omslaget till publikationen.

Dr Bernt Johannessen, instrumentforskare på röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) strållinje vid Australian Synchrotron var medförfattare på tidningen, som också inkluderade ledande utredare från Curtin University of Technology och medarbetare vid University of Western Australia, Institutet för metallforskning (Kina), Oak Ridge National Laboratory (USA), University of the Sunshine Coast, University of Queensland, Tsinghua University (Kina) och King Abdulaziz University (Saudiarabien). Tekniskt stöd och råd om mjukröntgenspektroskopi-experimenten gavs av den australiensiska synkrotroninstrumentforskaren Dr. Bruce Cowie.

"Hela idén bakom tillvägagångssättet är att ju mindre partiklar du har, desto mer katalytiskt aktiva är de. När du går till en nanopartikelstorlek, du ser den katalytiska aktiviteten öka. Och om du tar det till det extrema, du tittar på enstaka metallatomer förankrade på ett stödjande substrat av kol, sa Johannessen.

"Eftersom ytatomer beter sig annorlunda än bulkatomer eller andra atomer, XAS användes för att verifiera att det faktiskt fanns enstaka atomer och placeringen av dessa nickelatomer i förhållande till andra atomer. Vi kunde bestämma bindningslängder och koordinationsnummer."

Att addera eller subtrahera enstaka atomer från en partikel öppnar möjligheten att justera dess egenskaper.

Utmaningen har varit att behålla metallatomerna, som ger en stark metallstödbindning, från att interagera med varandra och aggregeras på grund av deras högre ytenergi.

Utredarna övervann detta genom att utveckla en flerstegsmetod för att syntetisera atomärt dispergerade nickelatomer på kvävedopade CNTs som inkluderade sönderdelning av prekursorlösningen vid hög temperatur.

Mätningarna för röntgenabsorption nära kantstrukturspektroskopi (XANES) vid Australian Synchrotron gav stöd för den elektrokemiska effektiviteten hos NiSA-N-CNT. Resultaten antydde att Ni-N-arterna är de aktiva centran för reduktionsreaktionen av CO2 till CO. De enskilda nickelatomerna hålls av koordinerande kväveatomer i den N-dopade kolnanorörsstrukturen och detta hjälper till att stabilisera strukturen från metallaggregering.

NiSA-N-CNT visade också en högre omsättningsfrekvens än andra kvävedopade CNT. Data bekräftade att det inte fanns någon uppenbar aggregering eller nedbrytning av nickel och avslöjade också den strukturella hållbarheten hos NiSA-N-CNT som elektrokatalysatorer.

Ett antal andra tekniker och simuleringar genomfördes som en del av materialkarakterisering och för att bekräfta CO2-reaktionsreduktionen.

Den nya klassen av SAC har en enorm potential med lovande tillämpningar inom områdena elektrokatalys och katalysatorer för energiomvandling såväl som andra användningsområden.