Når verden bevæger sig mod bæredygtig energi, vil brint sandsynligvis spille en uvurderlig rolle som et rent og alsidigt brændstof. Alligevel hænger vedtagelsen af brintteknologier med at overvinde de vigtigste udfordringer i elektrokatalyse, hvor dyre og knappe platin-gruppemetaller længe har været industristandarden.
Ved at tage et skridt for at rette op på dette har et forskerteam nu udviklet en ny strategi, der finjusterer elektroniske interaktioner på atomniveau. Deres undersøgelse er offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer.
Undersøgelsen introducerer en innovativ elektronisk finjustering (EFT) tilgang til at forbedre interaktioner mellem zink (Zn) og ruthenium (RU) arter, hvilket resulterer i en meget aktiv og stabil katalysator for både iltreduktionsreaktionen (ORR) og hydrogen evolutionsreaktionsreaktionsreaktionsreaktion (HENDE). Ved at forankre RU-klynger på hierarkisk lagdelte ZN-NC-nanosark (betegnet som Ru@Zn-SAS/NC) har teamet designet et materiale, der overgår kommercielle platinbaserede katalysatorer.
“Vores arbejde viser, hvor præcis kontrol over elektroniske strukturer grundlæggende kan omforme katalytisk ydeevne,” siger Hao Li, lektor ved Tohoku University’s Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) og tilsvarende forfatter af papiret. “Ved at udnytte synergien mellem Zn og Ru har vi udviklet et omkostningseffektivt alternativ til konventionelle platinekatalysatorer, der tilbyder nye muligheder for bæredygtig brintproduktion.”
Nøglen til dette gennembrud er den stærke elektroniske metalstøttende interaktion (EMSI) mellem Zn og Ru, som optimerer adsorptionsenergien for kritiske reaktionsmellemprodukter. Røntgenabsorptionsspektroskopi og beregningsmodellering bekræfter, at denne synergi skifter *OOH og *OH adsorptionsenergier til en optimal balance, hvilket forbedrer ORR-effektiviteten. Samtidig opnår RU-steder næsten ideel brintbindende fri energi, hvilket placerer katalysatoren på toppen af teoretisk hendes aktivitet.
“Denne forskning handler ikke kun om at erstatte platin,” forklarer Li. “Det handler om at forstå, hvordan elektroniske egenskaber på atomniveau dikterer katalytisk effektivitet. Denne viden giver os mulighed for at designe bedre, mere tilgængelige materialer til applikationer i den virkelige verden.”
Disse fund har betydelige konsekvenser for overkommeligheden og skalerbarheden af brintenergi. Ved at reducere afhængigheden af dyre platin, mens den forbedrer ydeevnen, bidrager denne forskning til udviklingen af omkostningseffektive brintbrændselsceller, vandelektrolysesystemer og bæredygtige industrielle processer.
Når man ser fremad, planlægger teamet at forbedre EFT-strategien yderligere, forbedre katalysatorstabiliteten under forhold i den virkelige verden og udvikle skalerbare produktionsmetoder. Anvendelser i zink-luftbatterier, brændselsceller og carbon- og nitrogenreduktionsreaktioner undersøges også.
Forskningen er blevet gjort tilgængelig via den digitale katalyseplatform (DIGCAT), den største eksperimentelle katalysedatabase til dato, udviklet af Hao Li Lab.