Lätt att tillverka, naturliknande nanostrukturer av koboltfosfid är mycket effektiva katalysatorer för elektrolys av vatten, enligt forskning utförd av kemisten Ning Yan och hans team vid universitetet i Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences tillsammans med medarbetare från School of Physics and Technology vid Wuhan University, Kina. I ett papper på framsidan av omslaget Journal of Materials Chemistry A , de beskriver hur relativt enkla elektrokemiska deponeringsmetoder ger gräs-, blad-, och blomliknande nanostrukturer som bär löftet om effektiv vätegenerering.

För att förbereda nanostrukturer, top-down-metoder som litografi har sedan länge varit vanliga. Detta har visat sig vara ganska användbart i halvledartillverkning, men för mer dedikerade applikationer, det är tidskrävande och inte särskilt kostnadseffektivt. Som ett alternativ, många forskare utforskar syntesen nerifrån och upp av nanostrukturer, till exempel, baserat på självmontering av molekyler eller nanoskala byggstenar. Dock, För att uppnå geometrikontroll krävs ofta dyra tillsatser och ytaktiva ämnen, vilket gör storskalig materialberedning ganska utmanande.

Som ett alternativ, biträdande professor Ning Yan, tillsammans med sin Ph.D. studenterna Jasper Biemolt och Pieter Laan vid universitetet i Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences, har nu utforskat en relativt enkel metod för elektroavsättning av kobolthydroxid. I samarbete med forskare vid School of Physics and Technology vid Wuhan University, Kina, de har kunnat designa och förbereda en mängd olika nano-arkitekturer som liknar olika föremål i en trädgård:jord, groddar, gräs, blommor, och löv.

Forskarna rapporterar att de har bemästrat systemet på ett sådant sätt att de kan odla vilken som helst av dessa strukturer efter behag.

Lägger till detta, de kunde göra nanostrukturerna katalytiskt aktiva genom ett enkelt fosfideringsförfarande. De resulterande koboltfosfidnanostrukturerna visar bifunktionell katalytisk aktivitet vid elektrolytisk vattenspjälkning, förbättrar både väte- och syregenereringsreaktioner.

Hierarkiska nanostrukturer genom kontrollerad syntes

Ning Yan och medarbetare odlade sina nanoträdgårdar på en duk bestående av kolfibrer med en diameter på cirka 10 mikrometer, ett vanligt elektrodmaterial inom bränslecells- och elektrolysindustrin. Trädgårdsarbetet började med att avsätta ett lager av "jord" genom att hydrotermiskt kapsla in fibrerna med ett tätt lager av kobolthydroxid. Detta lager ökade den strukturella stabiliteten hos nanostrukturerna. Genom variation av jonkoncentrationen och temperaturen, de kunde framkalla "grotning" av gräsliknande drag som är starkt "rotade" i jorden.

Dessa gräs har en medellängd på 1,5 μm och en tjocklek på cirka 100 nm. För att lägga till blommor och löv till gräset, forskarna tillämpade en elektrolytisk utfällningsmetod. I en utspädd lösning, elektroavsättning utgår dominerande från toppen av grässtammen, där den lilla krökningsradien resulterar i en högre rymdladdningstäthet. I mer koncentrerade lösningar, elektroavsättningen sker huvudsakligen från botten av stjälkarna. Detta resulterar i avsättning av "bladiga" egenskaper, som i själva verket är sammanvävda dendritiska avlagringsstrukturer.

Efter att ha omvandlat kobolthydroxidnanostrukturerna till koboltfosfid med hjälp av fosfidering, forskarna utvärderade deras katalytiska aktivitet i en miljö som på ett adekvat sätt representerade industriellt relevanta förhållanden. Som det blev, katalysatorns prestanda i en sur miljö är bland de bästa av dagens överlägsna icke-ädelmetallkatalysatorer för väteutveckling. Vidare, under sura såväl som alkaliska och neutrala förhållanden, de blommiga nanoegenskaperna resulterade i betydligt större omsättningsfrekvenser än de lummiga funktionerna, särskilt vid högre överpotentialer när väteutvecklingen påverkas av masstransportbegränsningar. Forskarna tillskriver detta till geometrin hos nanofunktionerna där blommorna möjliggör en smidigare avlastning av väte. Dock, de olika reaktionsmiljöerna i topp- och bottenpositionerna av nanostrukturerna kompletterar varandra, vilket resulterar i optimal övergripande prestanda.

Till sist, i elektrolysexperiment på vattenspjälkning, forskarna visade att deras nanoträdgårdar inte bara katalyserar väteutvecklingsreaktionen utan också syreutvecklingen. Denna bifunktionella aktivitet visades med hjälp av en symmetrisk tvåelektroduppsättning med helt identiska nanoträdgårdar vid anoden och katoden. Teamet kommer ytterligare att undersöka användningen av elektroner för att kontrollera tillväxten av nanokristaller i en "elektrifierad" materialsyntes som lovar en hållbar framtid.