Un gruppo di ricerca guidato dalla City University di Hong Kong (CityU) ha compiuto progressi rivoluzionari nel campo dei nanomateriali sviluppando con successo un elettrocatalizzatore altamente efficiente in grado di migliorare significativamente la generazione di idrogeno attraverso la scissione elettrochimica dell'acqua.
Questa svolta ha un grande potenziale di applicazione per il settore dell'energia pulita.
Il professor Zhang Hua, professore di nanomateriali della Herman Hu Chair presso la CityU, e il suo team hanno sviluppato un elettrocatalizzatore utilizzando nanofogli di dicalcogenuro di metalli di transizione (TMD) con fasi cristalline non convenzionali come supporti. L'elettrocatalizzatore mostra un'attività superiore e un'eccellente stabilità nella reazione elettrocatalitica di evoluzione dell'idrogeno in mezzi acidi.
"I risultati della nostra ricerca sono significativi nel senso che l'idrogeno generato dalla scissione elettrochimica dell'acqua è considerato una delle energie pulite più promettenti per sostituire i combustibili fossili nel prossimo futuro, riducendo l'inquinamento ambientale e l'effetto serra", ha affermato il professor Zhang. /P>
Questa importante scoperta è stata pubblicata sulla rivista Nature con il titolo "Crescita fase-dipendente di Pt su MoS2 per H2 altamente efficiente evoluzione."
Il professor Zhang ha affermato che la chiave della ricerca sulla scissione elettrocatalitica dell’acqua è lo sviluppo di catalizzatori altamente efficienti e stabili. È di grande importanza scegliere un supporto adeguato per migliorare l'attività e la stabilità dei catalizzatori durante il processo.
Essendo un materiale bidimensionale (2D) emergente, i nanofogli TMD hanno suscitato grande interesse tra i ricercatori a causa delle loro proprietà fisiche e chimiche uniche.
È stato scoperto che la fase è un fattore estremamente importante che determina le proprietà e le funzioni dei nanofogli TMD. Ad esempio, il disolfuro di molibdeno (MoS2 ) con la fase 2H convenzionale presenta proprietà di semiconduttore, mentre MoS2 con fase non convenzionale 1T o 1T′ mostra proprietà metalliche o semi-metalliche, possedendo quindi una buona conduttività.
Tuttavia, la produzione di nanofogli TMD in fase non convenzionale con elevata purezza di fase e alta qualità rimane impegnativa. La ricerca sull'effetto della fase cristallina TMD sulla crescita di altri materiali è ancora in una fase iniziale.
Negli ultimi anni, il gruppo di ricerca del professor Zhang ha sviluppato una serie di nuovi metodi, come reazioni di gas solido e sintesi assistita da sale, e ha preparato con successo una serie di materiali cristallini TMD ad elevata purezza di fase e di alta qualità con 1T′ non convenzionale fase.
Grazie alle loro proprietà semimetalliche uniche, questi nanomateriali hanno un grande potenziale in applicazioni nei campi dei dispositivi optoelettronici, della catalisi, dello stoccaggio di energia e della superconduttività.
In questa ricerca, il team ha sviluppato con successo un nuovo metodo per preparare nanofogli TMD con fasi non convenzionali. Hanno anche studiato la crescita dipendente dalla fase cristallina dei metalli nobili su nanofogli 1T′-TMD e 2H-TMD.
Hanno scoperto che utilizzando il convenzionale 2H-TMD come modello, facilita la crescita epitassiale delle nanoparticelle di platino (Pt), mentre il modello non convenzionale 1T′-TMD supporta atomi di Pt singoli atomicamente dispersi (s-Pt). Sulla base di questi risultati, il team ha sviluppato atomi di Pt singoli dispersi atomicamente/disolfuro di molibdeno in fase 1T′ (s-Pt/1T′-MoS2 ) catalizzatore.
Per superare la limitazione del trasporto di massa dei catalizzatori a base di Pt nelle reazioni elettrocatalitiche di evoluzione dell'idrogeno in mezzi acidi, il team ha adottato una tecnologia avanzata di elettrodi galleggianti per i test.
I loro risultati sperimentali hanno rilevato che s-Pt/1T′-MoS2 il catalizzatore ha mostrato un'attività di massa elevata di 85±23 A mgPt -1 con un sovrapotenziale di −50 mV e una densità di corrente di scambio normalizzata per la massa (127 A mgPt -1 ). Inoltre, il catalizzatore può funzionare stabilmente per 500 ore in un elettrolizzatore ad acqua con membrana a scambio protonico, mostrando un potenziale applicativo promettente.
Il team ha studiato sistematicamente la crescita fase-dipendente dei metalli nobili su nanofogli 1T′-TMD e 2H-TMD e ha dimostrato che i nanofogli 1T′-TMD possono essere supporti efficaci per i catalizzatori.
"Il nuovo elettrocatalizzatore sintetizzato mostra un'attività superiore e un'eccellente stabilità nella reazione elettrocatalitica di evoluzione dell'idrogeno in mezzi acidi, e svolgerà un ruolo estremamente importante nello sviluppo di energia pulita in futuro", ha affermato il dottor Shi Zhenyu, postdoc presso il Dipartimento di Chimica e il primo autore dell'articolo.
I risultati hanno ampliato l'ambito dell'ingegneria di fase dei nanomateriali (PEN), aprendo una nuova strada per la progettazione e la sintesi di catalizzatori altamente efficienti. Il professor Zhang ha affermato che in futuro il team continuerà la ricerca sul catalizzatore basato su 1T′-TMD e le sue prospettive nell'applicazione industriale, al fine di contribuire all'energia pulita e allo sviluppo sostenibile.
Gli autori corrispondenti sono il professor Zhang e il professor Anthony R. J. Kucernak del Dipartimento di Chimica dell'Imperial College di Londra. Questo progetto di ricerca ha riunito collaboratori di università e istituti di ricerca di Hong Kong, Cina continentale, Singapore e Regno Unito, dimostrando l'importanza della collaborazione internazionale nel raggiungimento di scoperte scientifiche.
Ulteriori informazioni: Zhenyu Shi et al, Crescita fase-dipendente di Pt su MoS2 per un'evoluzione di H2 altamente efficiente, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06339-3
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dalla City University of Hong Kong
