Wo wir sind und wo wir hin müssen

Der reichlich vorhandene Kohlenstoff auf der Erde könnte eine reichhaltige, erneuerbare Ressource für saubere, nachhaltige Energie darstellen. Die als kohlenstoffbasierte elektrochemische Katalyse bezeichnete Technologie, die die Umwandlung grüner Energie ermöglichen könnte, existiert laut einer internationalen Zusammenarbeit, die die jüngsten Fortschritte untersucht, ist jedoch noch nicht für eine breite Anwendung bereit.

Während die Katalysatoren noch nicht den Sweet Spot in Bezug auf Leistung und Kosteneffizienz erreicht haben, der für den industriellen Einsatz erforderlich ist, sagten die Forscher, gibt es klare Wege, um die Technologie durch das Versprechen von metallfreien Elektrokatalysatoren auf Kohlenstoffbasis (C-MFECs) voranzutreiben. Das Team veröffentlichte seine Bewertung am 15. Dezember in Nano-Forschungsenergie.

„Es ist zwingend erforderlich, nachhaltige und saubere Energie sowie entsprechende Speichergeräte zu entwickeln, um die Energieknappheit und die Umweltverschmutzung zu lindern“, sagte der Mitautor Liming Dai, Scientia-Professor, Preisträger des Australian Research Council und Finanzierungsdirektor des Australian Carbon Materials Center , Fakultät für Chemieingenieurwesen, Universität von New South Wales.

„In diesem Artikel bieten wir einen knappen, aber kritischen Überblick über die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung rational gestalteter C-MFECs mit Hochleistungsaktivitätsstellen für energiebezogene Reaktionen und Systeme. Wir diskutieren auch aktuelle Herausforderungen und zukünftige Möglichkeiten, um zukunftsweisende auf der Suche nach einer Anleitung für ihre potentielle Anwendung in verschiedenen katalytischen Prozessen von praktischer Bedeutung.“

Elektrochemische Katalysatoren beschleunigen typischerweise eine Reaktion an einer Elektrode, die häufig ein Metall erfordert. Die Metalle, die am besten funktionieren, wie Platin, sind knapp und teuer. Gebräuchlichere Metalle wie Eisen und Kupfer sind billiger, aber weniger effizient bei der Beschleunigung einer vollständigen Reaktion.

Laut Mitautor Chuangang Hu, korrespondierender Autor und Professor am State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, bieten C-MFECs eine potenzielle Alternative zu edelmetallbasierten und Übergangsprodukten Elektrokatalysatoren auf Metallbasis.

„Kostengünstige, hochaktive und stabile metallfreie Alternativen für erneuerbare Energietechnologien sind dringend erwünscht“, sagte Hu.

„Nach etwa einem Jahrzehnt weltweiter intensiver Forschung und Entwicklung und mit der Verfügbarkeit dieser neu entwickelten Strategien zeigen C-MFECs potenzielle Anwendungen in erneuerbaren Energien und Umwelttechnologien von praktischer Bedeutung. Vor allem seit 2015 wurde über viele Strategien zur Verbesserung der elektrochemischen katalytischen Aktivität berichtet durch das Entwerfen von C-MFECs durch Anpassung der intrinsischen katalytischen Struktur und rationalen Zusammenbau.“

In ihrer ungefähren Bewertung der wissenschaftlichen Literatur der letzten sieben Jahre stellten die Forscher fest, dass die neuesten Arbeiten beinhalten, wie der Fokus auf das Strukturdesign und die Regulierung intrinsischer katalytischer aktiver Stellen kontrolliert werden kann oder wie effizient und effektiv der Katalysator die gewünschte Reaktion hervorruft . Die jüngsten Arbeiten umfassen auch Fortschritte bei der Konstruktion von 3D-Montage- und Verbundstrukturen sowie Untersuchungen der Mechanismen, die C-MFECs zugrunde liegen.

„In den letzten Jahren waren enorme Fortschritte auf dem Gebiet der C-MFECs zu verzeichnen“, sagte Dai. „Rationelles Design und Regulierung der Konfiguration und Struktur von C-MFECs könnten dazu verwendet werden, fortschrittliche Katalysatoren mit den gewünschten Eigenschaften und Leistungen maßzuschneidern, wodurch C-MFECs metallbasierte Katalysatoren im Rennen um den technologischen Markt für erneuerbare Energien überholen könnten.“

Um die Weiterentwicklung von C-MFECs als Metallalternative für praktische Anwendungen in großem Maßstab zu unterstützen, besteht laut Dai nach wie vor ein „dringender“ Bedarf, effiziente und kontrollierbare Synthesestrategien zu entwickeln. Laut Dai und Hu sollten sich die Forscher auf die Überwindung der wichtigsten Herausforderungen konzentrieren, um reproduzierbare C-MFECs im großen Maßstab mit einheitlichen und stabilen elektrokatalytischen aktiven Zentren für spezifische Reaktionen zu erzeugen.

Zu diesen Hindernissen gehören die Entwicklung einer besseren Synthese und präzisen Kontrolle der Struktur und Eigenschaften von C-MFECs; Verbesserung der Charakterisierung der Katalysatoren und ihrer aktiven Zentren, um die theoretische Modellierung besser zu informieren; Entwicklung multifunktionaler C-MFECs; und Vorbereitung von C-MFECs für die Industrialisierung.

„Unser Ziel ist es, einen zeitnahen und prägnanten, aber kritischen Überblick über die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von C-MFECs als sinnvolle Anleitung für das Design und die Synthese von Hochleistungs-C-MFECs zu geben.“ Hu sagte.