Ett forskarlag under ledning av City University of Hong Kong (CityU) har uppnått banbrytande framsteg inom nanomaterial genom att framgångsrikt utveckla en högeffektiv elektrokatalysator som kan förbättra genereringen av väte avsevärt genom elektrokemisk vattenklyvning.
Detta genombrott har stor tillämpningspotential för industrin för ren energi.
Professor Zhang Hua, Herman Hu ordförande professor i nanomaterial vid CityU, och hans team har utvecklat en elektrokatalysator genom att använda övergångsmetall dikalkogenid (TMD) nanoskivor med okonventionella kristallfaser som stöd. Elektrokatalysatorn uppvisar överlägsen aktivitet och utmärkt stabilitet vid elektrokatalytisk väteutvecklingsreaktion i sura medier.
"Vårt forskningsresultat är betydelsefullt i den meningen att vätgas som genereras av elektrokemisk vattenklyvning anses vara en av de mest lovande rena energierna för att ersätta fossila bränslen inom en snar framtid, vilket minskar miljöföroreningarna och växthuseffekten", säger professor Zhang.
Detta viktiga fynd har publicerats i tidskriften Nature med titeln "Fasberoende tillväxt av Pt på MoS2 för högeffektiv H2 evolution."
Professor Zhang sa att nyckeln till forskningen om elektrokatalytisk vattendelning är att utveckla mycket effektiva och stabila katalysatorer. Det är av stor betydelse att välja ett lämpligt stöd för att förbättra aktiviteten och stabiliteten hos katalysatorer under processen.
Som ett framväxande tvådimensionellt (2D) material har TMD nanosheets varit av stort intresse bland forskare på grund av deras unika fysikaliska och kemiska egenskaper.
Det har visat sig att fas är en extremt viktig faktor som bestämmer egenskaperna och funktionerna hos TMD nanoark. Till exempel molybdendisulfid (MoS2 ) med den konventionella 2H-fasen uppvisar en halvledaregenskap, medan MoS2 med okonventionell 1T- eller 1T′-fas uppvisar metalliska eller semimetalliska egenskaper och har således god konduktivitet.
Men produktionen av okonventionella fas TMD nanoark med hög fasrenhet och hög kvalitet är fortfarande utmanande. Forskningen om effekten av TMD-kristallfasen på tillväxten av andra material är fortfarande i ett tidigt skede.
Under de senaste åren har professor Zhangs forskargrupp utvecklat ett antal nya metoder, såsom fastgasreaktioner och saltassisterad syntes, och har framgångsrikt framställt ett antal högfasrena och högkvalitativa TMD-kristallmaterial med okonventionell 1T′ fas.
På grund av sina unika semimetalliska egenskaper har dessa nanomaterial stor potential i applikationer inom områdena optoelektroniska enheter, katalys, energilagring och supraledning.
I denna forskning utvecklade teamet framgångsrikt en ny metod för att förbereda TMD-nanoark med okonventionella faser. De undersökte också den kristallfasberoende tillväxten av ädelmetaller på 1T′-TMD och 2H-TMD nanoskivor.
De fann att genom att använda den konventionella 2H-TMD som mall underlättar den epitaxiella tillväxten av platina (Pt) nanopartiklar, medan den okonventionella 1T′-TMD mallen stöder enkelatomiskt dispergerade Pt-atomer (s-Pt). Baserat på dessa fynd utvecklade teamet de enatomiskt dispergerade Pt-atomerna/1T′-fas molybdendisulfid (s-Pt/1T′-MoS2 ) katalysator.
För att övervinna masstransportbegränsningen hos Pt-baserade katalysatorer i elektrokatalytiska väteutvecklingsreaktioner i sura medier, antog teamet en avancerad flytande elektrodteknologi för testning.
Deras experimentella resultat visade att s-Pt/1T′-MoS2 katalysatorn uppvisade en hög massaktivitet av 85±23 A mgPt -1 vid en överpotential på -50 mV och en massnormaliserad växlingsströmtäthet (127 A mgPt -1 ). Katalysatorn kan dessutom arbeta stabilt i 500 timmar i en vattenelektrolysör med protonbytesmembran, vilket visar lovande applikationspotential.
Teamet undersökte systematiskt den fasberoende tillväxten av ädelmetaller på 1T′-TMD och 2H-TMD nanosheets och visade att 1T′-TMD nanosheets kan vara effektiva stöd för katalysatorer.
"Den syntetiserade nya elektrokatalysatorn uppvisar överlägsen aktivitet och utmärkt stabilitet i elektrokatalytisk väteutvecklingsreaktion i sura medier, och den kommer att spela en extremt viktig roll i utvecklingen av ren energi i framtiden", säger Dr. Shi Zhenyu, postdoc vid Institutionen för Kemi och uppsatsens första författare.
Resultaten har utökat omfattningen av "Phase Engineering of Nanomaterials" (PEN), vilket banar väg för design och syntes av högeffektiva katalysatorer. Professor Zhang sa att teamet i framtiden kommer att fortsätta forskningen om 1T′-TMD-baserad katalysator och dess framtidsutsikter inom industriell tillämpning, för att bidra till ren energi och hållbar utveckling.
Motsvarande författare är professor Zhang och professor Anthony R. J. Kucernak från Institutionen för kemi, Imperial College London. Detta forskningsprojekt samlade medarbetare från universitet och forskningsinstitut i Hongkong, Kina, Singapore och Storbritannien, vilket visar vikten av internationellt samarbete för att uppnå vetenskapliga genombrott.
Mer information: Zhenyu Shi et al, Fasberoende tillväxt av Pt på MoS2 för högeffektiv H2-evolution, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06339-3
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av City University of Hong Kong
