Schnelle Thermoschockmethode erreicht gleichmäßige Dispersion von Metallnanopartikeln auf Kohlenstoffträgern

Die elektrokatalytische Reduktion von Kohlendioxid zu hochwertigen Chemikalien und Kraftstoffen bietet eine vielversprechende Strategie zur Bewältigung der globalen Energiekrise und der sich verschärfenden Umweltprobleme. Die hohe thermodynamische Stabilität von CO2-Molekülen, konkurrierende Wasserstoffentwicklungsreaktionen und die Komplexität der Produkte stellen jedoch erhebliche Herausforderungen dar. Daher sind die Auswahl und das Design von Elektrokatalysatoren entscheidend für die Verbesserung der Produktselektivität und Energieeffizienz.

In einer Studie veröffentlicht im Journal ChemPhysMaterhat ein Forscherteam aus China einen neuartigen Ansatz vorgestellt: die Methode der schnellen Joule-Erhitzungssynthese, die die gleichmäßige Verteilung von Metallnanopartikeln (NPs) auf Kohlenstoffträgern gewährleistet und die Elektronenleitfähigkeit von Katalysatoren verbessert.

Die auf leitfähigem Kohlenstoff dispergierten funktionellen Nanopartikel bieten erhebliche Vorteile zur Verbesserung der Effizienz und Selektivität der CO2-Reduktion. Die Kohlenstoffträger ermöglichen eine effiziente Elektronen- und Wärmeübertragung und dispergieren und stabilisieren gleichzeitig die NPs, um eine Aggregation zu verhindern. Während der Karbonisierungssynthese aggregieren Metallnanopartikel jedoch häufig, um ihre Oberflächenenergie zu verringern, was zu einem Verlust an aktiver Fläche und katalytischer Deaktivierung führt.

Durch eine schnelle Thermoschockbehandlung erreichten die Forscher eine gleichmäßige Dispersion von Metallnanopartikeln auf einem Kohlenstoffsubstrat (M-PANI-T). Die kurze Dauer des Thermoschocks hemmte die Migration von Metallatomen, und durch Pyrolyse erzeugte Defekte im Kohlenstoff spielten eine entscheidende Rolle bei der Verankerung der Metallnanopartikel. Durch Anpassung der Behandlungszeit an unterschiedliche Temperaturen untersuchten die Forscher die Auswirkungen auf die katalytische Leistung. Elektrochemische Tests zeigten, dass die Katalysatorleistung sowohl von den aktiven Metallstellen als auch von den Kohlenstoffträgern abhängt und nicht nur von einzelnen Faktoren.

Laut Jintao Zhang, dem leitenden Forscher der Studie, zeigt dieser Durchbruch auf dem Gebiet der Herstellung funktionaler Nanopartikel auf Kohlenstoffsubstraten, dass die Joule-Hitzeschockmethode eine gute Universalität und ausgezeichnete elektrokatalytische Aktivität aufweist. Mit dieser Methode können verschiedene Katalysatoren für kohlenstoffgestützte Metallnanopartikel hergestellt werden, was den Zeit- und Rohstoffaufwand erheblich reduziert und gleichzeitig wertvolle theoretische Erkenntnisse für die zukünftige Katalysatorentwicklung liefert.