Den begränsade reservoaren av fossila bränslen och de ständigt ökande hoten från klimatförändringar har uppmuntrat forskare att utveckla alternativa tekniker för att producera miljövänliga bränslen. Grönt väte som genereras från elektrolys av vatten med förnybar el anses vara en nästa generations förnybara energikälla för framtiden. Men i verkligheten kommer den överväldigande majoriteten av vätebränsle från raffinering av fossila bränslen på grund av de höga kostnaderna för elektrolys.

För närvarande är effektiviteten av vattenelektrolys begränsad och kräver ofta hög cellspänning på grund av bristen på effektiva elektrokatalysatorer för väteutvecklingsreaktioner. Ädelmetaller som platina (Pt) används som katalysatorer för att förbättra vätegenereringen i både sura/alkaliska medier. Emellertid är dessa ädelmetallkatalysatorer mycket dyra och visar dålig stabilitet under långvarig drift.

Katalysatorer med en atom har fördelar jämfört med sina nanomaterialbaserade motsvarigheter, och uppnår upp till 100 procent atomutnyttjande, medan endast ytatomerna hos nanopartiklar är tillgängliga för reaktion. Men på grund av enkelheten hos en-metall-atom-centret är det ganska svårt att utföra ytterligare modifiering av katalysatorerna för att utföra komplexa flerstegsreaktioner.

Det enklaste sättet att modifiera de enskilda atomerna är genom att förvandla dem till enatomsdimerer, som kombinerar två olika enstaka atomer. Att justera det aktiva stället för enatomskatalysatorer med dimerer kan förbättra reaktionskinetiken tack vare den synergistiska effekten mellan två olika atomer. Men även om syntesen och identifieringen av enatoms dimerstruktur har varit känd konceptuellt, har dess praktiska förverkligande varit mycket svårt.

Detta problem togs upp av en forskargrupp ledd av biträdande direktör LEE Hyoyoung vid Center for Integrated Nanostructure Physics inom Institutet för grundläggande vetenskap (IBS) vid Sungkyunkwan University. IBS forskarteam utvecklade framgångsrikt en atomärt dispergerad Ni-Co-dimerstruktur stabiliserad på en kvävedopad kolbärare, som fick namnet NiCo-SAD-NC.

"Vi syntetiserade Ni-Co enkelatoms dimerstruktur på kväve (N)-dopat kolbärare via in-situ infångning av Ni/Co-joner i polydopaminsfären, följt av pyrolys med exakt kontrollerad N-koordination. Vi använde state-of- den senaste transmissionselektronmikroskopi och röntgenabsorptionsspektroskopi för att framgångsrikt identifiera dessa NiCo-SAD-platser med atomär precision", säger Ashwani Kumar, studiens första författare.

Forskarna fann att glödgning i två timmar vid 800°C i en argonatmosfär var den bästa förutsättningen för att erhålla dimerstrukturen. Andra enatomsdimerer, såsom CoMn och CoFe skulle också kunna syntetiseras med samma metod, vilket bevisar generaliteten i deras strategi.

Forskargruppen utvärderade den katalytiska effektiviteten hos detta nya system i termer av den överpotential som krävs för att driva väteutvecklingsreaktionen. NiCo-SAD-NC elektrokatalysatorn hade en jämförbar nivå av överspänning som kommersiella Pt-baserade katalysatorer i sura och alkaliska medier. NiCo-SAD-NC uppvisade också åtta gånger högre aktivitet än Ni/Co-enatomkatalysatorer och heterogena NiCo-nanopartiklar i alkaliska medier. Samtidigt uppnådde den 17 och 11 gånger högre aktivitet än Co- respektive Ni-enatomkatalysatorer, och 13 gånger högre än konventionella Ni/Co-nanopartiklar i sura medier.

Dessutom visade forskarna den långsiktiga stabiliteten hos den nya katalysatorn, som kunde driva reaktionen i 50 timmar utan någon förändring av strukturen. NiCo-SAD uppvisade överlägsen vattendissociation och optimal protonadsorption jämfört med andra enkelatomsdimerer och Ni/Co enkelatomsställen, vilket ökade pH-universalkatalysatorns aktivitet baserat på simuleringen av densitetsfunktionella teorin.

"Vi var mycket glada över att upptäcka att den nya NiCo-SAD-strukturen dissocierar vattenmolekyler med en mycket lägre energibarriär och påskyndar väteutvecklingsreaktionen i både alkaliska och sura medier med prestanda jämförbara med Pt, som åtgärdade bristerna hos det individuella Ni och Co enatomskatalysatorer. Syntesen av en sådan enatoms dimerstruktur var en långvarig utmaning inom området för enatomskatalysatorer", säger Associate Director Lee, motsvarande författare till studien.

Han förklarar vidare, "Denna studie tar oss ett steg närmare en kolfri och grön väteekonomi. Denna mycket effektiva och billiga vätegenereringselektrokatalysator kommer att hjälpa oss att övervinna de långsiktiga utmaningarna med kostnadskonkurrenskraftig produktion av grönt väte:att producera hög- rent väte för kommersiella tillämpningar till ett lågt pris och på ett miljövänligt sätt."

Studien publicerades i Nature Communications . + Utforska vidare

En ny enatomskatalysator kan producera väte från urea i en exceptionell hastighet