Recentemente, il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Wang Bin presso il Centro nazionale per le nanoscienze e la tecnologia (NCNST) dell’Accademia cinese delle scienze ha riferito che la tensione generata nelle bolle di materiali 2D potrebbe favorire l’attività catalitica della reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER). Lo studio è stato pubblicato su Chem Catalysis .
L’idrogeno verde prodotto dalla scissione elettrochimica dell’acqua offre il potenziale per realizzare processi di produzione a zero emissioni di carbonio. I catalizzatori svolgono un ruolo cruciale nel facilitare l'HER all'anodo, rendendolo un componente chiave nella transizione verso un futuro energetico sostenibile.
Dichalcogenuri di metalli di transizione (TMD), in particolare MoS2 , hanno attirato l'attenzione sulla sostituzione dei materiali a base di platino. Sono state implementate una serie di strategie come difetti, doping, posti vacanti e ingegneria dell'interfaccia per migliorare l'attività catalitica del MoS2 piano basale per LEI.
Tuttavia, l’influenza delle microstrutture fuori dal piano (come rughe o increspature, pergamene o pieghe e bolle) è stata spesso trascurata, che comunemente esistono nei materiali 2D a causa della loro flessibilità. Pertanto, la correlazione tra i siti attivi e le prestazioni testate dei catalizzatori è ancora discutibile, soprattutto considerando la facile comparsa di morfologia curva nei catalizzatori pratici.
In questo studio, il team del Prof. Wang, ispirato dalle bolle fabbricate tramite l'approccio top-down, ha realizzato la personalizzazione delle bolle con diversa curvatura "priva di substrato" alle interfacce tra il monostrato MoS2 e hBN tramite un metodo di trasferimento assistito da droplet.
I calcoli della modellazione agli elementi finiti (FEM) hanno dimostrato un graduale aumento della distribuzione della deformazione, spostandosi dalla periferia della bolla verso il suo centro. Le bolle di grandi dimensioni possono raggiungere livelli di deformazione fino all'1,74%.
La teoria del funzionale della densità (DFT) ha mostrato che queste bolle inducono la formazione di ceppi su MoS2 , che migliora l'adsorbimento dei protoni e la cinetica HER. Di conseguenza, si è verificato un sostanziale aumento dell'attività HER, con valori che hanno raggiunto 129,65 mA cm -2 rispetto a 48,11 mA cm -2 a -0,4 V rispetto all'elettrodo a idrogeno reversibile (RHE).
"Il nostro team ha scoperto un metodo innovativo per fabbricare bolle, consentendo una personalizzazione precisa e fornendo informazioni sulla profonda influenza delle bolle sulla distribuzione della deformazione. I risultati sperimentali hanno mostrato che il livello di deformazione associato alle bolle più grandi supera le tipiche deformazioni indotte dalla distorsione del reticolo.
"Crediamo che questa scoperta abbia importanti implicazioni per comprendere l'intricata relazione tra le strutture fuori dal piano e le proprietà intrinseche dei materiali", ha affermato il prof. Wang.
Inoltre, studi teorici hanno dimostrato che la tensione apparsa in tali strutture fuori dal piano potrebbe sintonizzare la struttura elettronica e quindi regolare le prestazioni di adsorbimento di protoni dei catalizzatori, il che non solo fornisce un catalizzatore più efficiente e stabile per la produzione di energia dell'idrogeno, ma può anche guidare progressi tecnologici in altri campi correlati.
Ulteriori informazioni: Junjie Xiong et al, Ceppo derivato da bolle su interfacce monostrato MoS2/hBN per una maggiore attività di reazione di evoluzione dell'idrogeno, Catalisi chimica (2024). DOI:10.1016/j.checat.2024.100951. www.cell.com/chem-catalysis/ab…2667-1093(24)00075-7
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
