Da der Energiebedarf weiter steigt, ist die Erforschung neuer, effizienter erneuerbarer und sauberer Energiequellen eine dringende Priorität. Derzeit machen erneuerbare Energiequellen wie Sonne, Wind, Gezeiten und Geothermie weniger als 40 % des aktuellen Energiebedarfs aus. Um diesen Anteil zu erhöhen und die Menge der eingesetzten fossilen Brennstoffe zu reduzieren, sind andere, effizientere erneuerbare und saubere Energiequellen erforderlich.
Wasserstoff ist eine vielversprechende Alternative, wird jedoch derzeit durch Dampfreformierung hergestellt, was ineffizient ist und CO2-Emissionen verursacht. Die elektrochemische Wasserspaltung, auch Wasserelektrolyse genannt, kann die Vorteile des aus erneuerbaren Quellen erzeugten Stroms nutzen und ist eine potenziell effiziente Lösung zur Herstellung von Wasserstoff.
Die Wasserspaltung erfordert eine Reaktion, die als Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) bezeichnet wird. Die an dieser HER beteiligten Nanokatalysatoren weisen jedoch keine einheitliche Größe, Zusammensetzung, Struktur oder chemische Koordinationsumgebung auf, um die Effizienz zu verbessern und das Verständnis des Reaktionsmechanismus zu fördern. Die Lösung dieses Problems könnte in atomar präzisen Gold-Nanoclustern liegen.
In einer Literaturübersicht veröffentlicht in Polyoxometallate Am 19. August fassen die Forscher bestehende Arbeiten zusammen, die untersuchen, wie Goldnanocluster die katalytische Leistung verbessern und HER fördern können.
„Es ist äußerst schwierig, einen Modellkatalysator mit absolut einheitlicher Größe, eindeutiger geometrischer Konfiguration und einer genau definierten lokalen chemischen Umgebung auf anatomischer Ebene zu erhalten, um die eindeutige Struktur-Leistungs-Beziehung auf atomarer Ebene herzustellen. Atomar präzise Goldnanocluster können möglicherweise aufgelöst werden.“ diese Probleme“, sagte Zhenghua Tang, Forscher am New Energy Research Institute an der South China University of Technology in Guangzhou, China. „Insbesondere Goldnanocluster haben außergewöhnliche katalytische Eigenschaften in verschiedenen organischen Reaktionen und elektrokatalytischen Reaktionen gezeigt.“
Gold-Nanocluster eignen sich aus mehreren Gründen hervorragend als Katalysator für HER. Im Gegensatz zu anderen Nanokatalysatoren weist Gold-Nanocluster eine präzise Nanostruktur auf. Diese präzise Struktur bedeutet, dass alle Goldnanocluster in Größe, Zusammensetzung, Morphologie und chemischer Umgebung einheitlich sind.
Es ist auch hilfreich bei der Identifizierung der aktiven Zentren für die HER-Katalyse. Die reichhaltige chemische Reaktivität von Gold-Nanoclustern ermöglicht sowohl die maßgeschneiderte Metallkernanpassung als auch die Oberflächenliganden-Entwicklung. Bei der Metallkernanpassung wird ein anderes Metall in den Goldnanocluster eingebracht, wodurch ein Goldlegierungscluster entsteht. Die Einführung eines anderen Metalls kann neue katalytische Fähigkeiten ermöglichen und die Kosten senken. Bei der Oberflächenligandentechnik kann die chemische Oberflächenumgebung fein abgestimmt werden, um mehr aktive Stellen freizulegen oder die Struktur des Nanoclusters zu ändern.
Schließlich haben Gold-Nanocluster noch weitere strukturelle Vorteile, wie zum Beispiel die extrem kleine Größe, die dem Grundsatz „Klein ist kostbar“ im Katalysebereich entspricht; die Morphologie kann abgestimmt und manipuliert werden; Robuste Stabilität mit intakter Struktur, die bei verschiedenen Reaktionen unter milden Bedingungen erhalten bleibt.
„Die in dieser Übersicht vorgestellten Fälle zeigen deutlich, dass aufgrund der deutlichen Vorteile von Gold-Nanoclustern im Vergleich zu Gold-Nanopartikeln oft außergewöhnliche HER-katalytische Eigenschaften erzielt werden. Der Einsatz von Gold-Nanoclustern für die HER-Katalyse birgt jedoch sicherlich Herausforderungen“, sagte Tang.
Zu den häufigsten Herausforderungen im Zusammenhang mit Gold-Nanoclustern gehören die Suche nach einer Lösung für die Goldmenge, die für den skalierten Einsatz dieser Katalysatoren erforderlich wäre, Probleme mit der Leistung der Nanokatalysatoren unter rauen Bedingungen und ungenaue theoretische Modellierungen.
Mit Blick auf die Zukunft planen Forscher die nächsten Schritte in der Nanokatalysatorforschung. Zu den vorgeschlagenen Möglichkeiten gehören die Prüfung der Anwendbarkeit des Cluster-basierten Verbundkatalysators auf Gold für andere mit HER gekoppelte Reaktionen und die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des Verbundkatalysators auf Clusterbasis.
„Aufgrund der rasanten Entwicklung synthetischer Techniken und der Katalysewissenschaft gehen wir davon aus, dass weitere Forschungsanstrengungen der Verwendung atomar präziser Metallnanocluster als Modellkatalysatoren für verschiedene elektrokatalytische Reaktionen und darüber hinaus gewidmet werden“, sagte Tang.
Mehr Informationen:
Xin Zhu et al., Atomar präzise Au-Nanocluster für die elektrochemische Wasserstoffentwicklungskatalyse: Fortschritte und Perspektiven, Polyoxometallate (2023). DOI: 10.26599/POM.2023.9140031
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