I chimici della National University of Singapore hanno sviluppato un metodo per confinare le nanoparticelle di metalli nobili in strati, materiali quasi bidimensionali (2-D) per una produzione efficiente di idrogeno.

L'idrogeno è un combustibile pulito che può essere bruciato in una cella a combustibile per produrre energia con un impatto minimo sull'ambiente. Un metodo per produrre idrogeno consiste nell'utilizzare l'elettricità per le molecole d'acqua versate, in presenza di catalizzatore. I ricercatori del NUS hanno sviluppato un modo per creare catalizzatori stabili e selettivi che possono essere utilizzati per una produzione efficiente di idrogeno. Il loro metodo incapsula nanoparticelle di metalli nobili in materiali quasi-2-D mediante un semplice metodo di riduzione in situ. È come mettere gli ingredienti tra i pezzi di pane in un panino. Questo nuovo metodo è un modo più semplice per produrre questa struttura, evitando il noioso processo di esfoliazione dei nanofogli 2-D. Lo spazio confinato all'interno degli strati quasi-2-D fornisce un ambiente ben controllato per la catalisi. Inoltre, impedisce agli inquinanti di dimensioni maggiori o alle molecole neutre di influenzare il processo catalitico. Nei loro test, i catalizzatori mostrano un'eccellente attività e stabilità a lungo termine quando vengono utilizzati per la produzione di idrogeno.

Reazioni confinate all'interfaccia, che può modulare il legame dei reagenti con i centri catalitici e influenzare la velocità del trasporto di massa dalla soluzione sfusa, sono emerse come una valida strategia per ottenere una catalisi altamente stabile e selettiva. Però, il confinamento delle nanoparticelle in 2-D, materiali stratificati è impegnativo a causa della forte forza di van der Waals tra nanofogli adiacenti. I metodi convenzionali che si basano sulla diffusione di precursori ionici per forza capillare non sono fattibili per raggiungere questo obiettivo.

Prof LOH Kian Ping, insieme al suo dottorato di ricerca. studenti CHEN Zhongxin, LENG Kai, ZHAO Xiaoxu, del Dipartimento di Chimica, NU, ha impiegato una strategia ingegnosa basata sulla riduzione in situ dei precursori ionici per introdurre nanoparticelle negli spazi interni del materiale ospite. La crescita di nanoparticelle all'interno di uno spazio ristretto si traduce in una dimensione delle particelle più piccola con prestazioni catalitiche migliorate. Questa svolta della ricerca viene raggiunta in collaborazione con l'elettrochimico, Prof YEO Boon Siang del Dipartimento di Chimica, NU. Il professor Yeo ha studiato la cinetica di diffusione anisotropa dei reagenti per spiegare l'eccellente stabilità a lungo termine di questi catalizzatori.

A differenza di altri lavori di ricerca sui catalizzatori 2-D, questo lavoro non prevede l'esfoliazione di nanosheet 2-D, che è un processo complicato. Anziché, i ricercatori si sono avvalsi di un sistema altamente riduttivo, materiali ospiti litiati (LixMoS2) per reagire con i precursori ionici. Ciò fornisce una forte forza trainante per superare le interazioni di van der Waals e trasforma i materiali quasi-2-D in un unico, MoS2 | metalli nobili | Struttura sandwich MoS2 (Figura 1). I ricercatori hanno ulteriormente dimostrato la scalabilità industriale fabbricando e testando una membrana di separazione dell'acqua caricata con catalizzatore di 25 cm2. Questo è senza precedenti nell'attuale ricerca 2-D, che sono spesso limitati dalle dimensioni delle scaglie esfoliate e dalla difficoltà di rivestire in rotazione un film continuo. L'interazione sinergica tra ospite e ospite consente una stabilità ultra-stabile, funzionamento a lungo termine del catalizzatore per la produzione di idrogeno. Ha anche un carico di metallo ridotto rispetto al catalizzatore disponibile in commercio. Questo nuovo concetto di confinamento che utilizza materiali 2D può essere potenzialmente applicato a molte altre reazioni catalitiche che coinvolgono applicazioni legate all'energia.