Gli esperimenti che utilizzano i raggi X su due linee di luce al sincrotrone australiano hanno contribuito a caratterizzare una nuova classe di catalizzatori a singolo atomo (SAC) supportati su nanotubi di carbonio che mostrano un'eccezionale riduzione elettrochimica di CO2 in CO. Un carico di peso del 20% in peso per la nuova classe , nanotubi di carbonio drogati con azoto a singolo atomo di nichel (NiSA-N-CNT), si ritiene che sia il carico di metalli più elevato per le SAC segnalato fino ad oggi.

Singoli atomi di nichel, cobalto e ferro sono stati supportati su nanotubi di carbonio drogati con azoto tramite un metodo di pirolisi one-pot e confrontati nello studio.

Una grande collaborazione internazionale, guidato dal professor San Ping Jiang, Vicedirettore dell'Istituto di tecnologia dei combustibili e dell'energia presso la Curtin University of Technology e collaboratori del Dipartimento di ingegneria chimica, hanno sviluppato un nuovo processo di sintesi e sviluppo per nanotubi di carbonio drogati con azoto con un legante di nichel che dimostrano un'elevata attività catalitica.

Lo studio è stato pubblicato su Materiale avanzato e presenti sulla copertina interna della pubblicazione.

Dott. Bernt Johannessen, scienziato dello strumento sulla linea di luce della spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS) presso l'Australian Synchrotron è stato un coautore dell'articolo, che includeva anche investigatori principali della Curtin University of Technology e collaboratori della University of Western Australia, Istituto di ricerca sui metalli (Cina), Oak Ridge National Laboratory (USA), Università della Sunshine Coast, Università del Queensland, Tsinghua University (Cina) e King Abdulaziz University (Arabia Saudita). Il supporto tecnico e la consulenza sugli esperimenti di spettroscopia a raggi X molli sono stati forniti dallo scienziato australiano dello strumento di sincrotrone Dr. Bruce Cowie.

"L'idea alla base dell'approccio è che le particelle più piccole che hai, più sono cataliticamente attivi. Quando si passa a una dimensione di nanoparticelle, vedete aumentare l'attività catalitica. E se lo porti all'estremo, stai guardando singoli atomi di metallo ancorati su un substrato di supporto di carbonio, ", ha detto Johannessen.

"Poiché gli atomi di superficie si comportano in modo diverso rispetto alla massa o ad altri atomi, XAS è stato utilizzato per verificare che esistessero effettivamente singoli atomi e la posizione di quegli atomi di nichel rispetto ad altri atomi. Siamo stati in grado di determinare le lunghezze dei legami e i numeri di coordinamento".

L'aggiunta o la sottrazione di singoli atomi da una particella apre la possibilità di regolare le sue proprietà.

La sfida è stata quella di mantenere gli atomi di metallo, che forniscono un forte legame di supporto metallico, dall'interazione tra loro e dall'aggregazione a causa della loro maggiore energia superficiale.

I ricercatori hanno superato questo problema sviluppando un metodo a più fasi per sintetizzare atomi di nichel dispersi atomicamente su CNT drogati con azoto che includeva la decomposizione della soluzione precursore ad alta temperatura.

Le misurazioni della spettroscopia di assorbimento dei raggi X vicino alla struttura del bordo (XANES) al sincrotrone australiano hanno fornito prove a sostegno dell'efficienza elettrochimica dei NiSA-N-CNT. I risultati hanno suggerito che le specie Ni-N sono i centri attivi per la reazione di riduzione della CO2 a CO. I singoli atomi di nichel sono trattenuti coordinando gli atomi di azoto nella struttura dei nanotubi di carbonio drogati con N e questo aiuta a stabilizzare la struttura dall'aggregazione del metallo.

I NiSA-N-CNT hanno anche dimostrato una frequenza di turnover più elevata rispetto ad altri CNT drogati con azoto. I dati hanno confermato che non vi era alcuna aggregazione o rottura evidente del nichel e hanno anche rivelato la durabilità strutturale dei NiSA-N-CNT come elettrocatalizzatori.

Sono state intraprese numerose altre tecniche e simulazioni come parte della caratterizzazione dei materiali e per confermare la riduzione della reazione di CO2.

La nuova classe di SAC ha un enorme potenziale con applicazioni promettenti nei settori dell'elettrocatalisi e dei catalizzatori per la conversione dell'energia, nonché per altri usi.