Dimer logam nikel-kobalt pada karbon yang didoping nitrogen dapat mengkatalisasi elektrolisis dalam kondisi asam dan basa – ScienceDaily
Top Environment

Dimer logam nikel-kobalt pada karbon yang didoping nitrogen dapat mengkatalisasi elektrolisis dalam kondisi asam dan basa – ScienceDaily

Keterbatasan cadangan bahan bakar fosil dan ancaman perubahan iklim yang terus meningkat mendorong para peneliti untuk mengembangkan teknologi alternatif untuk menghasilkan bahan bakar ramah lingkungan. Hidrogen hijau yang dihasilkan dari elektrolisis air menggunakan listrik terbarukan dianggap sebagai sumber energi terbarukan generasi berikutnya untuk masa depan. Namun kenyataannya, sebagian besar bahan bakar hidrogen diperoleh dari penyulingan bahan bakar fosil karena tingginya biaya elektrolisis.

Saat ini, efisiensi elektrolisis air terbatas dan seringkali membutuhkan tegangan sel yang tinggi karena kurangnya elektrokatalis yang efisien untuk reaksi evolusi hidrogen. Logam mulia seperti platina (Pt) digunakan sebagai katalis untuk meningkatkan pembentukan hidrogen pada media asam/basa. Namun, katalis logam mulia ini sangat mahal dan menunjukkan stabilitas yang buruk di bawah operasi jangka panjang.

Baru-baru ini, katalis atom tunggal telah menunjukkan aktivitas yang sangat baik dibandingkan dengan rekan berbasis nanomaterial mereka. Ini karena mereka mampu mencapai pemanfaatan atom hingga 100%, sedangkan dalam nanopartikel hanya atom permukaan yang tersedia untuk reaksi. Namun, karena kesederhanaan pusat atom-logam tunggal, melakukan modifikasi lebih lanjut dari katalis untuk melakukan reaksi multilangkah yang kompleks agak sulit.

Cara paling sederhana untuk memodifikasi atom tunggal adalah dengan mengubahnya menjadi dimer atom tunggal, yang menggabungkan dua atom tunggal yang berbeda menjadi satu. Menyetel situs aktif katalis atom tunggal dengan dimer dapat meningkatkan kinetika reaksi berkat efek sinergis antara dua atom yang berbeda. Namun, sementara sintesis dan identifikasi struktur dimer atom tunggal telah diketahui secara konseptual, realisasi praktisnya sangat sulit.

Masalah ini ditangani oleh tim peneliti yang dipimpin oleh Associate Director LEE Hyoyoung dari Center for Integrated Nanostructure Physics dalam Institute for Basic Science (IBS) yang berlokasi di Sungkyunkwan University. Tim peneliti IBS berhasil mengembangkan struktur dimer Ni-Co yang tersebar secara atomik yang distabilkan pada dukungan karbon yang didoping nitrogen, yang diberi nama NiCo-SAD-NC.

“Kami mensintesis struktur dimer atom tunggal Ni-Co pada dukungan karbon yang didoping nitrogen (N) melalui perangkap in-situ ion Ni/Co ke dalam bola polidopamin, diikuti oleh pirolisis dengan koordinasi N yang dikontrol dengan tepat. Kami menggunakan state-of- mikroskop elektron transmisi seni dan spektroskopi penyerapan sinar-x untuk berhasil mengidentifikasi situs NiCo-SAD ini dengan presisi atom,” kata Ashwani Kumar, penulis pertama studi tersebut.

Para peneliti menemukan bahwa anil selama dua jam pada 800 ° C dalam atmosfer argon adalah kondisi terbaik untuk mendapatkan struktur dimer. Dimer atom tunggal lainnya, seperti CoMn dan CoFe juga dapat disintesis menggunakan metode yang sama, yang membuktikan keumuman strategi mereka.

Tim peneliti mengevaluasi efisiensi katalitik sistem baru ini dalam hal potensi berlebih yang diperlukan untuk mendorong reaksi evolusi hidrogen. Elektrokatalis NiCo-SAD-NC memiliki tingkat tegangan lebih yang sebanding dengan katalis berbasis Pt komersial dalam media asam dan basa. NiCo-SAD-NC juga menunjukkan aktivitas 8 kali lebih tinggi daripada katalis atom tunggal Ni/Co dan nanopartikel NiCo heterogen dalam media alkali. Pada saat yang sama, ia mencapai aktivitas 17 dan 11 kali lebih tinggi daripada katalis atom tunggal Co dan Ni, masing-masing, dan 13 kali lebih tinggi daripada nanopartikel Ni/Co konvensional dalam media asam.

Selain itu, para peneliti menunjukkan stabilitas jangka panjang dari katalis baru, yang mampu mendorong reaksi selama 50 jam tanpa perubahan struktur. NiCo-SAD menunjukkan disosiasi air yang unggul dan adsorpsi proton yang optimal dibandingkan dengan dimer atom tunggal lainnya dan situs atom tunggal Ni/Co, meningkatkan aktivitas katalis pH universal berdasarkan simulasi teori fungsional densitas.

“Kami sangat senang menemukan bahwa struktur baru NiCo-SAD memisahkan molekul air dengan penghalang energi yang jauh lebih rendah dan mempercepat reaksi evolusi hidrogen di media basa dan asam dengan kinerja yang sebanding dengan Pt, yang mengatasi kekurangan individu Ni. dan katalis atom tunggal Co. Sintesis struktur dimer atom tunggal seperti itu merupakan tantangan lama di bidang katalis atom tunggal,” catat Associate Director Lee, penulis studi yang sesuai.

Dia lebih lanjut menjelaskan, “Studi ini membawa kita selangkah lebih dekat ke ekonomi hidrogen bebas karbon dan hijau. Elektrokatalis pembangkit hidrogen yang sangat efisien dan murah ini akan membantu kita mengatasi tantangan jangka panjang dari produksi hidrogen hijau yang hemat biaya: untuk menghasilkan hidrogen murni untuk aplikasi komersial dengan harga murah dan ramah lingkungan.”

Studi ini dipublikasikan di Komunikasi Alam (IF 14.92), sebuah jurnal terkenal di dunia dalam bidang ilmu dasar.

Sumber Cerita:

Materi disediakan oleh Institut Ilmu Dasar. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

Posted By : hongkong togel