Eftersom energiefterfrågan fortsätter att öka är forskning om nya, effektiva förnybara och rena energikällor en brådskande prioritet. För närvarande utgör förnybara energikällor som sol, vind, tidvatten och geotermisk energi mindre än 40 % av det nuvarande energibehovet. Att öka denna andel och minska mängden fossila bränslen som används kommer att kräva andra, mer effektiva förnybara och rena energikällor.
Vätgas är ett lovande alternativ, men det produceras för närvarande med ångreformering, vilket är ineffektivt och producerar CO2 utsläpp. Elektrokemisk vattenklyvning, även kallad vattenelektrolys, kan dra fördelar av den el som genereras från förnybara källor, är en potentiellt effektiv lösning för att producera väte.
Vattendelning kräver en reaktion som kallas väteutvecklingsreaktion (HER), men nanokatalysatorerna som är involverade i denna HER har inte enhetlig storlek, sammansättning, struktur eller kemisk koordinationsmiljö för att förbättra effektiviteten och främja reaktionsmekanistisk förståelse. Lösningen på detta problem kan ligga i atomärt exakta guldnanokluster.
I en litteraturöversikt publicerad i Polyoxometalates den 19 augusti sammanfattar forskarna befintligt arbete som studerar hur guldnanokluster kan förbättra katalytisk prestanda och främja HENNE.
"Det är extremt svårt att uppnå en modellkatalysator med absolut enhetlig storlek, bestämd geometrisk konfiguration och en väldefinierad lokal kemisk miljö på anatomisk nivå för att fastställa det entydiga förhållandet mellan struktur och prestanda på atomnivå. Atomiskt exakta guldnanokluster kan potentiellt lösas. dessa frågor", säger Zhenghua Tang, en forskare vid New Energy Research Institute vid South China University of Technology i Guangzhou, Kina. "Guldnanokluster har specifikt visat extraordinära katalytiska egenskaper i olika organiska reaktioner och elektrokatalytiska reaktioner."
Guld nanokluster är unikt lämpad för att vara en katalysator för HENNE av flera skäl. Till skillnad från andra nanokatalysatorer har guldnanokluster en exakt nanostruktur. Denna exakta struktur innebär att alla guldnanokluster är enhetliga i storlek, sammansättning, morfologi och kemisk miljö.
Det är också användbart för att identifiera de aktiva platserna för HER-katalys. De rika kemiska reaktiviteterna hos guldnanokluster möjliggör både skräddarsydd metallkärna och ytligandteknik. Skräddarsydd metallkärna är när en annan metall introduceras till guldnanoklustret, som bildar ett guldlegeringskluster. Att introducera en annan metall kan ge nya katalytiska egenskaper och minska kostnaderna. Inom ytligandteknik kan den ytkemiska miljön finjusteras för att exponera mer aktiva platser eller förändra nanoklustrets struktur.
Slutligen, guld nanokluster har andra strukturella fördelar, såsom storleken är ultraliten, vilket uppfyller principen om "liten är dyrbar" i katalysområdet; morfologin kan ställas in och manipuleras; robust stabilitet med intakt struktur bevarad i olika reaktioner under milda förhållanden.
"De fall som presenteras i den här recensionen visar tydligt att exceptionella HER-katalytiska egenskaper ofta visas på grund av de distinkta fördelarna med guldnanokluster jämfört med guldnanopartiklar. Men det finns verkligen utmaningar när det gäller att använda guldnanokluster för HER-katalys", säger Tang.
Några av de vanliga utmaningarna förknippade med guldnanokluster är att hitta en lösning på mängden guld som skulle krävas för att skala användningen av dessa katalysatorer, problem med hur nanokatalysatorerna presterar under svåra förhållanden och felaktig teoretisk modellering.
Framöver planerar forskare vad nästa steg inom nanokatalysatorforskning ska vara. Föreslagna vägar inkluderar att testa tillämpbarheten av den guldklusterbaserade kompositen för andra reaktioner kopplade med HER och att förbättra den elektriska ledningsförmågan hos den klusterbaserade kompositkatalysatorn.
"På grund av den snabba utvecklingen av syntetiska tekniker och katalysvetenskap, förväntar vi oss att fler forskningsansträngningar kommer att ägnas åt att använda atomärt exakta metallnanokluster som modellkatalysatorer för olika elektrokatalytiska reaktioner och vidare", säger Tang.
Mer information: Xin Zhu et al, Atomiskt precisa Au-nanokluster för elektrokemisk väteutvecklingskatalys:Framsteg och perspektiv, Polyoxometalater (2023). DOI:10.26599/POM.2023.9140031
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
