Der sich schnell entwickelnde Bereich der grünen Energie strebt ständig nach Verbesserungen, und die jüngsten Fortschritte bei Dual-Atom-Katalysatoren bergen das Potenzial, die Energieumwandlungstechnologien zu revolutionieren.
Bei der Suche nach nachhaltigen Alternativen zu kohlenstoffbasierten Energiequellen ist der Bedarf an schnellen, effizienten und skalierbaren Technologien von entscheidender Bedeutung. Wasserspaltungssysteme (WWS), die auf solarbetriebenen Batterien basieren, bieten eine vielversprechende Lösung. Die komplizierten und langsamen Reaktionsschritte, die WWSs innewohnen, schränken jedoch ihre Skalierbarkeit für einen breiten Einsatz ein.
Forscher des Qingdao-Instituts für Bioenergie und Bioprozesstechnologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften suchten nach einem verbesserten Design, um die Geschwindigkeit und Stabilität der Haupthalbreaktionen zu erhöhen, die für eine hochkarätige Funktion von WSSs erforderlich sind: Sauerstoffreduktionsreaktionen, Sauerstoffentwicklungsreaktionen usw Wasserstoffentwicklungsreaktionen.
Es stellt sich heraus, dass Dual-Atom-Katalysatoren, die Einzelatom- und Metall-/Legierungs-Nanopartikel-Katalysatoren überbrücken, mehr Möglichkeiten bieten, die Kinetik und multifunktionale Leistung von Sauerstoffreduktions-/-entwicklungs- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen zu verbessern.
Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht Naturkommunikation.
„Sauerstoffreduktion/-entwicklung und Wasserstoffentwicklungsreaktionen sind die Kernreaktionen, bei denen Multi-Proton-Elektron-Kopplungsprozesse beteiligt sind, die kinetisch langsam sind. Daher ist es dringend erforderlich, effiziente, stabile und kostengünstige elektrokatalytische Materialien zu entwickeln, um ihre Umwandlungseffizienz zu verbessern.“ sagte Jiang Heqing, korrespondierender Autor der Studie.
Dual-Atom-Katalysatoren (DACs) spielen im Gegensatz zu Einzel-Atom-Katalysatoren (SACs), die nur ein Metallatom pro aktivem Zentrum haben, aufgrund ihrer vorteilhaften multifunktionalen katalytischen Aktivität und höheren Atomausnutzungseffizienz eine zentrale Rolle auf dem Gebiet der Energiekatalyse. und effektivere Störung der linearen Beziehung mit Reaktionszwischenprodukten.
Darüber hinaus wird der Einsatz von SACs in Energieumwandlungssystemen aufgrund der höheren Reaktionsbarrieren die Effizienz der Energieumwandlung erheblich einschränken.
DACs profitieren vom synergistischen Effekt zwischen ihren dualen Metallatomen, was eine effektive Modulation kooperativer Effekte zwischen dualen aktiven Zentren und eine erhebliche Reduzierung der für die Reaktion erforderlichen Energiebarrieren ermöglicht.
Aufgrund der Vorteile der DACs ist die Erforschung ihres Synthesemechanismus durch Hochtemperatur-Sinterstrategien von entscheidender Bedeutung, um ihre Herstellung voranzutreiben und kommerzielle Anwendungen zu erleichtern.
„Wir haben über eine neuartige Zerstäubungs-/Sinterstrategie berichtet, um die Konfigurationszustände von Kobalt (Co)-Spezies auf atomarer Ebene zu synthetisieren und abzustimmen, von Nanopartikeln über Einzelatome bis hin zu Doppelatomen“, sagte Huang Minghua, ein weiterer Autor und Forscher, der dazu beigetragen hat die Studie.
Die Zerstäubungs-/Sinterstrategie beinhaltet die Umwandlung von Kobalt in Nanopartikel (Atomisierung), die dann durch den Sinterprozess zur Bildung einer Einzelatom- (SA) und Doppelatomspezies (DA) verwendet werden.
Eines der beeindruckenderen Merkmale dieser Strategie und der Ergebnisse dieser Forschung sind die Anwendungen, die die Zerstäubung/Sinterung zur Herstellung von 21 anderen DACs haben kann. Dies alles ist der Beobachtung zu verdanken, wie sich diese DACs durch den Zerstäubungs-/Sinterprozess bilden. Je mehr DACs es gibt, desto mehr Möglichkeiten gibt es, andere Wege zu erkunden, um Energie nachhaltiger zu nutzen.
Das Testen der Fähigkeiten des zweiatomigen Co2N5 in Zink-Luft-Batterien zeigte vielversprechende Ergebnisse. Die Zn-Luft-Batterien hatten eine Stabilität von 800 Stunden und ermöglichten eine kontinuierliche Wasserspaltung über 1.000 Stunden am Stück, was das Potenzial für einen ununterbrochenen Betrieb auch während der Nacht demonstrierte.
Die Arbeit an DACs ist noch nicht abgeschlossen. „Diese universelle und skalierbare Strategie bietet Möglichkeiten für das kontrollierte Design effizienter multifunktionaler Doppelatomkatalysatoren in Energieumwandlungstechnologien“, sagte Jiang Heqing.
Weitere Entwicklungen können durchgeführt werden, um die Fähigkeiten von Bimetallkatalysatoren weiter zu verbessern. Es kann auch aufschlussreich sein, zu sehen, wie sie unter verschiedenen Umständen funktionieren, beispielsweise wie das Wasserspaltungssystem mit kalten Temperaturen oder Meerwasser umgeht. Wenn diese Systeme unter ungünstigen Bedingungen eingesetzt werden, kann dies zu Problemen führen, die gelöst werden müssen und die einer groß angelegten oder kommerziellen Nutzung im Wege stehen können.
Mehr Informationen:
Xingkun Wang et al., Entwicklung einer Klasse von Dual-Atom-Materialien für multifunktionale katalytische Reaktionen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42756-8