Ein chinesisches Team hat neue Arbeiten veröffentlicht Fortschritte bei Energiematerialien.
„Im Jahr 2017 berichteten wir über eine neue Familie von 2D-Übergangsmetallboriden als Analoga zu MXenes und prägten einen einprägsamen Namen für sie: MBenes“, sagte Autor Zhimei Sun, Professor an der School of Materials Science and Engineering der Universität Beihang.
„Bisher wurden MBene umfassend als Katalysatoren oder Substrate verschiedener Reaktionen untersucht, darunter HER, ORR/OER, NRR und CO2RR. Insbesondere konzentriert sich die Erforschung der elektrokatalytischen Leistung von MBenen hauptsächlich auf solche mit orthorhombischen Strukturen, obwohl es nur wenige davon gibt.“ Studien zur Anwendung der hexagonalen MBene (H-MBene) als Elektrokatalysatoren.
Sun erklärte, dass MBene als Katalysatoren mehrere bedeutende Vorteile haben, wie beispielsweise eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften und elektronische Eigenschaften. Einige Forscher sagten insbesondere voraus, dass einige MBene mit hexagonalen Phasen stabiler sein würden als ihre entsprechenden orthorhombischen Phasen.
„Es wurde vorhergesagt, dass hexagonales Zr2B2 und Hf2B2 die Chance haben, abgeblättert zu werden, und die dynamische und thermische Stabilität von Zr(Hf)2B2 wurde in früheren Untersuchungen bestätigt.“
„Darüber hinaus weisen sie eine gute metallische Leitfähigkeit auf, um die Effizienz des Elektronentransfers sicherzustellen. Und inzwischen weist Zr2B2 eine hohe theoretische Kapazität und niedrige Migrationsenergiebarrieren für Li+/Na+ auf, was die großen Aussichten dieser vorhergesagten Materialien für die elektrochemische Energiespeicherung und -umwandlung zeigt.“
Bei Elektrokatalysatoren stellt jedoch das Fehlen aktiver Zentren und effektiver Ladungszentren ein großes Problem dar, was die Aktivierung der Reaktanten erschwert. Unter den verschiedenen modifizierten Strategien bieten Einzelatomkatalysatoren (SACs), die normalerweise eine erhöhte Reaktivität und hohe Selektivität gegenüber bestimmten Produkten aufweisen, eine beispiellose Chance für die Entwicklung von Elektrokatalysatoren.
Insbesondere wurde gezeigt, dass MBene hervorragende physikalische und chemische Eigenschaften besitzen, die als Substrate für Einzelatomkatalysatoren äußerst erwünscht sind.
Um die möglichen Anwendungen von hexagonalem Zr2B2 und Hf2B2 als NRR-Elektrokatalysatoren zu erkunden, untersuchten Sun und ihr Team systematisch die elektrokatalytische NRR-Leistung einer Reihe von Übergangsmetallatomen (z. B. 3).D4D5D) eingebettet in defektes hexagonales MBen Nanoblätter (H-Zr(Hf)2B2O2) und identifizierte das H-Zr(Hf)2B2O2 könnte eine hervorragende Plattform für die elektrokatalytische NRR sein.
„Basierend auf unseren vorgeschlagenen Screening-Kriterien wurden 16 Kandidaten effizient aus 50 Systemen ausgewählt, unter denen sich Zr2B2O2-Cr durch eine hohe Selektivität für NRR gegenüber HER sowie ein extrem niedriges Grenzpotential (−0,10 V) auszeichnete“, so Sun genannt. „Der Wert ist deutlich niedriger als der der gut etablierten gestuften Ru (0001)-Oberfläche (−0,43 V).“
„Der Ursprung der hohen Aktivität wird auf den synergistischen Effekt des einzelnen Atoms (SA) und der M-Atome im Substrat zurückgeführt. Noch beeindruckender ist, dass außerdem ein Zusammensetzungsdeskriptor vorgeschlagen wurde, der auf den inhärenten Eigenschaften der Katalysatoren (Anzahl der Valenzelektronen) basiert von SAs, Elektronegativität der SAs und Zr(Hf)-Atome), was hilft, die katalytische Leistung besser vorherzusagen.“
Diese Arbeit identifizierte nicht nur effiziente NRR-Elektrokatalysatoren, sondern ebnete auch einen neuen Weg für deren Anwendung H-MBenes, was weitere Anstrengungen zur experimentellen und theoretischen Entwicklung dieses neuartigen 2D-Materials auslösen wird.
Mehr Informationen:
Ya Gao et al., Hexagonal MBenes-Supported Single Atom as Electrocatalysts for the Nitrogen Reduction Reaction, Fortschritte bei Energiematerialien (2023). DOI: 10.34133/energymatadv.0039
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