ديمر معدن النيكل والكوبالت على الكربون المشبع بالنيتروجين يمكن أن يحفز التحليل الكهربائي في كل من الظروف الحمضية والقاعدية – ScienceDaily

شجع الخزان المحدود للوقود الأحفوري والتهديدات المتزايدة لتغير المناخ الباحثين على تطوير تقنيات بديلة لإنتاج الوقود الصديق للبيئة. يعتبر الهيدروجين الأخضر الناتج عن التحليل الكهربائي للمياه باستخدام الكهرباء المتجددة مصدر طاقة متجددة من الجيل التالي للمستقبل. ولكن في الواقع ، يتم الحصول على الغالبية العظمى من وقود الهيدروجين من تكرير الوقود الأحفوري بسبب التكلفة العالية للتحليل الكهربائي.

حاليًا ، كفاءة التحليل الكهربائي للماء محدودة وغالبًا ما تتطلب جهدًا عاليًا للخلية بسبب نقص المحفزات الكهربائية الفعالة لتفاعلات تطور الهيدروجين. تُستخدم المعادن النبيلة مثل البلاتين (Pt) كمحفزات لتحسين توليد الهيدروجين في كل من الوسائط الحمضية / القلوية. ومع ذلك ، فإن هذه المحفزات المعدنية النبيلة باهظة الثمن وتظهر ضعف الاستقرار في ظل التشغيل طويل الأمد.

في الآونة الأخيرة ، أظهرت المحفزات أحادية الذرة نشاطًا ممتازًا مقارنة بنظيراتها القائمة على المواد النانوية. هذا لأنهم قادرون على تحقيق استخدام ذرة يصل إلى 100٪ ، بينما في الجسيمات النانوية فقط ذرات السطح المتاحة للتفاعل. ومع ذلك ، نظرًا لبساطة مركز الذرة أحادي المعدن ، فإن إجراء مزيد من التعديل على المحفزات لإجراء تفاعلات معقدة متعددة الخطوات أمر صعب نوعًا ما.

إن أبسط طريقة لتعديل الذرات المفردة هي تحويلها إلى ثنائيات ذرة مفردة ، والتي تجمع بين ذرتين مختلفتين معًا. يمكن أن يؤدي ضبط الموقع النشط للمحفزات أحادية الذرة باستخدام الثنائيات إلى تحسين حركية التفاعل بفضل التأثير التآزري بين ذرتين مختلفتين. ومع ذلك ، في حين أن تركيب وتحديد هيكل ثنائي الذرة أحادي الذرة معروفان من الناحية المفاهيمية ، إلا أن تحقيقه العملي كان صعبًا للغاية.

تمت معالجة هذه المشكلة من قبل فريق بحث بقيادة المدير المساعد LEE Hyoyoung من مركز فيزياء البنية النانوية المتكاملة في معهد العلوم الأساسية (IBS) الموجود في جامعة Sungkyunkwan. نجح فريق بحث IBS في تطوير هيكل ثنائي أكسيد Ni-Co مشتت ذريًا على دعامة كربونية مخدرة بالنيتروجين ، والتي سميت NiCo-SAD-NC.

“لقد قمنا بتركيب هيكل ثنائي ذرة أحادية من Ni-Co على دعم الكربون المشبع بالنيتروجين (N) عبر محاصرة أيونات Ni / Co في الموقع في كرة بوليدوبامين ، متبوعًا بانحلال حراري بتنسيق N يتم التحكم فيه بدقة. يقول أشواني كومار ، المؤلف الأول للدراسة:

وجد الباحثون أن التلدين لمدة ساعتين عند 800 درجة مئوية في جو من الأرجون كان أفضل شرط للحصول على بنية باهتة. يمكن أيضًا تصنيع ثنائيات ذرة مفردة أخرى ، مثل CoMn و CoFe باستخدام نفس الطريقة ، مما يثبت عمومية استراتيجيتهم.

قام فريق البحث بتقييم الكفاءة التحفيزية لهذا النظام الجديد من حيث الجهد الزائد المطلوب لدفع تفاعل تطور الهيدروجين. كان للمحفز الكهربائي NiCo-SAD-NC مستوى مشابه من الجهد الزائد مثل المحفزات التجارية القائمة على Pt في الوسط الحمضي والقلوي. أظهر NiCo-SAD-NC أيضًا نشاطًا أعلى بثماني مرات من محفزات ذرة مفردة Ni / Co وجسيمات متناهية الصغر من NiCo في الوسائط القلوية. في الوقت نفسه ، حققت نشاطًا أعلى بـ 17 و 11 مرة من محفزات ذرة أحادية النيتروجين Co و Ni ، على التوالي ، و 13 مرة أعلى من الجسيمات النانوية التقليدية Ni / Co في الوسائط الحمضية.

بالإضافة إلى ذلك ، أظهر الباحثون الثبات طويل المدى للمحفز الجديد ، والذي كان قادرًا على دفع التفاعل لمدة 50 ساعة دون أي تغيير في الهيكل. أظهر NiCo-SAD تفككًا فائقًا للماء وامتصاصًا مثاليًا للبروتون مقارنةً بثنائيات الذرة المفردة الأخرى ومواقع الذرة المفردة Ni / Co ، مما يعزز نشاط محفز عالمي الأس الهيدروجيني بناءً على محاكاة نظرية الكثافة الوظيفية.

“لقد كنا متحمسين للغاية لاكتشاف أن بنية NiCo-SAD الجديدة تفصل جزيئات الماء بحاجز طاقة أقل بكثير وتسرع تفاعل تطور الهيدروجين في كل من الوسائط القلوية والحمضية مع أداء مماثل لأداء Pt ، والتي عالجت أوجه القصور في النيكل الفردي. والمحفزات أحادية الذرة. كان تخليق مثل هذا الهيكل الثنائى للذرة المفردة تحديًا طويل الأمد في مجال المحفزات أحادية الذرة “، يلاحظ المدير المساعد لي ، المؤلف المقابل للدراسة.

ويوضح كذلك ، “هذه الدراسة تأخذنا خطوة أقرب إلى اقتصاد الهيدروجين الأخضر والخالي من الكربون. سيساعدنا هذا المحفز الكهربائي لتوليد الهيدروجين عالي الكفاءة وغير المكلف في التغلب على التحديات طويلة الأجل لإنتاج الهيدروجين الأخضر بتكلفة تنافسية: لإنتاج عالية هيدروجين نقي للتطبيقات التجارية بسعر منخفض وبطريقة صديقة للبيئة “.

تم نشر الدراسة في اتصالات الطبيعة (IF 14.92) ، مجلة ذات شهرة عالمية في مجال العلوم الأساسية.

مصدر القصة:

المواد المقدمة من معهد العلوم الأساسية. ملاحظة: يمكن تعديل المحتوى حسب النمط والطول.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *