Eine Studie veröffentlicht im Journal Werkstoff-Futures stellt den Pt-Co@NCS-Katalysator vor, der eine bemerkenswerte Synergie zwischen Pt-Nanopartikeln und einzelnen Co-Atomen auf einem mit Stickstoff dotierten Kohlenstoffgerüst aufweist. Dieses innovative Design überwindet die Hürde der langsamen Wasserdissoziation und führt zu einer außergewöhnlichen Leistung bei der alkalischen Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER).
Mit einer Stromdichte von 162,8 mA cm-2, einer Tafel-Steigung von 26,2 mV dec-1 und einer überlegenen Massenaktivität von 15,75 mA μg Pt-1 stellt der Pt-Co@NCS-Katalysator einen bedeutenden Fortschritt bei der Verbesserung der Wasserstoffentwicklungseffizienz dar. Diese Erkenntnisse versprechen eine vielversprechende Zukunft für nachhaltige Energielösungen.
In den letzten Jahren wurden innovative Katalysatoren entwickelt, um die lokale Umgebung an der Pt-Gruppenschnittstelle auf herkömmlichen Oxidträgern wie CeO2, TiO2 und SiO2 zu verbessern. Diese Oxidträger sind jedoch Kohlenstoffträgern aufgrund der begrenzten Ladungsübertragung und zusätzlicher Energieverluste durch den Innenwiderstand bei hohen Stromdichten unterlegen.
Der Bedarf an verbesserter Wasserdissoziationskinetik hat zur Verwendung nanostrukturierter, stickstoffdotierter Kohlenstoffträger geführt. Dieser Ansatz hat eine synergistische Wechselwirkung mit Wasser an den defekten stickstoffdotierten Stellen gezeigt, was die HER-Leistung deutlich verbessert.
Die Studie berichtete über die erfolgreiche Synthese eines innovativen Pt-Co@NCS-Katalysators, mit dem der traditionelle Engpass der langsamen Wasserdissoziation überwunden wurde.
In diesem Artikel konstruierten die Autoren einen hierarchisch porösen N-dotierten Kohlenstoffgerüstkatalysator (NCS), der einzelne Co-Atome und Pt-Nanopartikel für die alkalische HER enthält. Die poröse Struktur wurde durch die Polymerisation von m-Phenylendiamin und das Ätzen einer Siliziumoxidbeschichtung erzeugt. Pt- und Co-Vorläufer wurden dann im begrenzten Raum des NCS pyrolysiert und in winzige Pt-Nanopartikel und atomar verteilte Co-N4-Stellen umgewandelt.
Der Schlüssel zu seiner bemerkenswerten Leistung liegt in der einzigartigen porösen konkaven Struktur in Verbindung mit einer stickstoffreichen defekten Oberfläche, die zusammen die Hydrophilie und die katalytische Wechselwirkung um die Pt-Stellen herum verbessert. Diese einzigartige Struktur minimiert auch die potenzielle Aggregation von Metallspezies und verbessert sowohl die Langzeitaktivität als auch die Stabilität von Pt-Co@NCS.
Die synergistische Interaktion von Pt-Nanopartikeln und Co-Einzelatomen sowie die geometrischen Effekte im Nanomaßstab verbessern die Wasserdissoziation erheblich, indem sie die OH-Adsorption an die Co-Einzelatome in einer alkalischen Umgebung fördern. Strenge CO-Stripping- und Deuteriummarkierungsexperimente bestätigten den mit diesen synergistischen Interaktionen verbundenen geförderten Wasserdissoziationsweg. Diese Forschung unterstreicht die wesentliche Rolle der Anpassung der Mikroumgebung um katalytische Stellen, insbesondere für alkalische Anwendungen, um Aktivität und Stabilität zu verbessern.
Aufgrund der nachgewiesenen Wirksamkeit des Pt-Co@NCS-Katalysators bei der Steigerung der HER-Effizienz in alkalischen Medien erscheint die Zukunft der Materialentwicklung für die synergistische Einzelatom- und Kristallkatalyse äußerst vielversprechend. Es wird erwartet, dass dieses Feld das enorme Potenzial hochdichter, atomar dispergierter Metallkatalysatoren auf verschiedenen Materialien weiter ausloten wird.
Zukünftige Forschung könnte sich auf die Diversifizierung der Metallatomtypen und Dotierelemente im Substrat konzentrieren, um die katalytischen Eigenschaften für spezifische Reaktionen jenseits der HER anzupassen, sowie auf die Erforschung der Langzeitstabilität und Skalierbarkeit dieser Katalysatoren. Darüber hinaus ist die Entwicklung von In-situ- und Echtzeittechniken zur Überwachung synergistischer katalytischer Prozesse auf atomarer Ebene entscheidend für das Verständnis der dynamischen Wechselwirkungen innerhalb der Katalysatormikroumgebung.
Durch diese Bemühungen wird die Katalysegemeinschaft voraussichtlich bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung effizienterer, langlebigerer und wirtschaftlich tragfähigerer Katalysatoren zur Unterstützung nachhaltiger Energietechnologien erzielen.
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Chengyong Shu et al, Synergetischer Effekt zwischen Co-Einzelatomen und Pt-Nanopartikeln für eine effiziente alkalische Wasserstoffentwicklung, Werkstoff-Futures (2024). DOI: 10.1088/2752-5724/ad521f
Zur Verfügung gestellt vom Songshan Lake Materials Laboratory