Immagine 3D di singoli atomi di cobalto su grafene drogato con azoto. Era fondamentale per questo studio controllare l'ambiente di coordinamento del singolo atomo di cobalto, poiché questa struttura di coordinamento influenza direttamente le proprietà catalitiche del catalizzatore complessivo. Credito:IBS
Gli scienziati dell'IBS e i loro colleghi hanno recentemente segnalato un elettrocatalizzatore definitivo che affronta tutti i problemi che affliggono H 2 oh 2 produzione. Questo nuovo catalizzatore comprendente il Co-N . ottimale 4 molecole incorporate nel grafene drogato con azoto, Co 1 -NG(O), mostra una reattività elettrocatalitica record, producendo fino a 8 volte superiore alla quantità di H 2 oh 2 che può essere generato da elettrocatalizzatori a base di metalli nobili piuttosto costosi.
Proprio come facciamo la doccia per lavare via lo sporco e altre particelle, anche i semiconduttori richiedono un processo di pulizia. Però, la sua pulizia va agli estremi per garantire che anche tracce di contaminanti "non lascino traccia". Dopo che tutti i materiali di fabbricazione del chip sono stati applicati a un wafer di silicio, viene adottato un rigoroso processo di pulizia per rimuovere le particelle residue. Se questo passaggio di pulizia ad alta purezza e rimozione delle particelle va storto, è probabile che le connessioni elettriche nel chip ne risentano. Con gadget sempre miniaturizzati sul mercato, gli standard di purezza dell'industria elettronica raggiungono un livello equivalente a trovare un ago in un deserto.
Questo spiega perché il perossido di idrogeno (H 2 oh 2 ), un importante prodotto chimico per la pulizia elettronica, è una delle materie prime chimiche più preziose alla base dell'industria della produzione di chip. Nonostante l'importanza sempre crescente di H 2 oh 2 , la sua industria è stata lasciata con un metodo ad alta intensità energetica e in più fasi noto come processo all'antrachinone. Questo è un processo dannoso per l'ambiente che prevede la fase di idrogenazione utilizzando costosi catalizzatori al palladio. In alternativa, h 2 oh 2 può essere sintetizzato direttamente da H 2 e O 2 gas, anche se la reattività è ancora molto scarsa e richiede alta pressione. Un altro metodo ecologico consiste nel ridurre elettrochimicamente l'ossigeno in H 2 oh 2 una via a 2 elettroni. Recentemente, elettrocatalizzatori a base di metalli nobili (ad esempio, Au-Pd, Pt-Hg, e Pd-Hg) hanno dimostrato di mostrare H 2 oh 2 produttività, anche se investimenti così costosi hanno registrato bassi ritorni che non riescono a soddisfare le esigenze scalabili del settore.
Regolazione a livello atomico del catalizzatore Co-N4/grafene. Gli atomi di cobalto sono coordinati con quattro atomi di azoto che formano una struttura planare quadrata di Co-N4 su grafene drogato con azoto (Co-N4/grafene). I ricercatori potrebbero controllare lo stato di carica degli atomi di cobalto introducendo sostanze ricche di elettroni (ad esempio, ossigeno) o elettron-poveri (ad esempio, atomi di idrogeno) vicino alla struttura Co-N4. Nello specifico, quando gli atomi di ossigeno ricchi di elettroni erano vicini a Co-N4 (Co-N4(O)), lo stato di carica degli atomi di cobalto è leggermente diminuito diventando cobalto povero di elettroni che ha mostrato un miglioramento significativo sulla produzione elettrochimica di H2O2. Al contrario, quando gli atomi di idrogeno ricchi di elettroni erano vicini alla struttura Co-N4, Co-N4 (2H), l'atomo di cobalto è diventato ricco di elettroni rendendolo meno favorevole alla produzione di H2O2. Credito:IBS
I ricercatori del Centro per la ricerca sulle nanoparticelle (guidato dal direttore Taeghwan Hyeon e dal vicedirettore Yung-Eun Sung) all'interno dell'Istituto per le scienze di base (IBS) in collaborazione con il professor Jong Suk Yoo dell'Università di Seoul hanno recentemente segnalato un elettrocatalizzatore definitivo che affronta tutti dei problemi che ostacolano H 2 oh 2 produzione. Questo nuovo catalizzatore comprendente il Co-N . ottimale 4 molecole incorporate nel grafene drogato con azoto, Co 1 -NG(O), mostra una reattività elettrocatalitica record, producendo fino a 8 volte più H 2 oh 2 di quanto può essere generato da elettrocatalizzatori a base di metalli nobili relativamente costosi (ad esempio, pt, Au-Pd, Pt-Hg e così via). I catalizzatori sintetizzati sono costituiti da elementi almeno 2000 volte meno costosi (Co, N, C, e O) rispetto al catalizzatore al palladio convenzionale, e sono eccezionalmente stabili senza perdita di attività oltre 110 ore di H 2 oh 2 produzione.
Tipicamente coinvolgendo diverse fasi di catalizzatori (solitamente solidi) e reagenti (gas), catalizzatori eterogenei sono ampiamente sfruttati in molti importanti processi industriali. Ancora, si pensava che la loro proprietà catalitica fosse controllata solo modificando gli elementi costitutivi. In questo studio, i ricercatori hanno verificato che possono indurre un'interazione specifica su catalizzatori eterogenei mettendo a punto le configurazioni atomiche locali degli elementi come si vede nei catalizzatori enzimatici (Fig.2). Direttore Hyeon, il corrispondente autore delle note di studio, "questo studio ha dimostrato con successo la possibilità di controllare una proprietà catalitica sintonizzando le composizioni atomiche. Questa scoperta potrebbe avvicinarci alla scoperta delle proprietà fondamentali delle attività catalitiche".
Sulla base di analisi teoriche, è stato verificato che la densità di carica di un atomo di cobalto su grafene drogato con azoto è fortemente dipendente dalla struttura di coordinazione che circonda l'atomo di cobalto. Perciò, i ricercatori potrebbero controllare la densità elettronica degli atomi di cobalto introducendo specie ricche o povere di elettroni come atomi di ossigeno o idrogeno. Quando gli atomi di ossigeno ricchi di elettroni sono vicini, Gli atomi di co diventano carenti di elettroni. D'altra parte, quando un atomo di idrogeno ricco di elettroni è vicino, è stata trovata la tendenza opposta (che genererebbe atomi di Co ricchi di elettroni). Molto interessante, la densità elettronica degli atomi di Co era critica per l'H . elettrochimico 2 oh 2 produzione.
Riepilogo della produttività di H2O2 per vari elettrocatalizzatori. 1 kg di catalizzatore Co1-NG(O) ottimizzato può produrre 341,2 kg di H2O2 entro 1 giorno, che è fino a 8 volte superiore alla quantità di H2O2 che può essere prodotta dagli elettrocatalizzatori di metalli nobili all'avanguardia. Credito:IBS
Prossimo, i ricercatori hanno progettato la struttura atomica ottimale del cobalto (Co 1 -N 4 (O)) avendo tutte le condizioni richieste come una precisa selezione dell'elemento, temperatura di sintesi e varie condizioni sperimentali soddisfatte. Combinando simulazioni teoriche e tecnologie di sintesi di nanomateriali, i ricercatori sono stati in grado di controllare la proprietà catalitica con precisione atomica. Con atomi di Co poveri di elettroni (Co 1 -NG(O)), sono stati in grado di produrre H 2 oh 2 con attività e stabilità significativamente elevate, superando di gran lunga i catalizzatori di metalli nobili all'avanguardia. Al contrario, gli atomi di Co ricchi di elettroni hanno mostrato un'elevata reattività per la reazione di riduzione dell'ossigeno a 4 elettroni alla formazione di H2O che potrebbe essere utile per le applicazioni delle celle a combustibile.
Sorprendentemente, 341,2 kg di H 2 oh 2 può essere prodotto entro 1 giorno a temperatura ambiente e pressione atmosferica utilizzando 1 kg di catalizzatore Co1-NG(O). Questa quantità di H 2 oh 2 è fino a 8 volte superiore alla quantità di H 2 oh 2 prodotto dai catalizzatori di metalli nobili di ultima generazione (Fig.3). Co 1 -N 4 (O)) è un catalizzatore che consente a basso costo, efficiente, ed ecologica produzione di H 2 oh 2 .
Professore Cantato, l'autore corrispondente dice, "Per la prima volta, abbiamo scoperto che la proprietà catalitica dei catalizzatori eterogenei può essere messa a punto con precisione atomica. Questo risultato senza precedenti ci aiuterà a comprendere i precedenti aspetti sconosciuti dell'H . elettrochimico 2 oh 2 produzione. Con questa conoscenza, potremmo progettare un catalizzatore scalabile che sia interamente composto da elementi abbondanti sulla terra (Co, N, C, e O)."
Lo studio è pubblicato su Materiali della natura .
