Исследователи из Городского университета Гонконга разработали высокоэффективный электрокатализатор, способный увеличить производство водорода путем электрохимического расщепления воды.
Профессор Чжан Хуа и его команда использовали нанолисты дихалькогенида переходного металла (TMD) с нетрадиционными кристаллическими фазами в качестве подложек для разработки электрокатализатора. Их исследование показало, что выбор подходящего носителя имеет решающее значение для повышения активности и стабильности катализаторов в процессе электрокаталитического расщепления воды.
«Результаты нашего исследования значительны в том смысле, что водород, полученный в результате электрохимического расщепления воды, считается одним из наиболее многообещающих чистых видов энергии, который заменит ископаемое топливо в ближайшем будущем, уменьшая загрязнение окружающей среды и парниковый эффект », — сказал профессор Чжан.
Одним из ключевых факторов, определяющих свойства нанолистов TMD, является их кристаллическая фаза. Например, дисульфид молибдена (MoS2) с фазой 2H обладает полупроводниковыми свойствами, тогда как MoS2 с нетрадиционными фазами 1T или 1T' обладает металлическими или полуметаллическими свойствами и хорошей проводимостью. Однако производство нанолистов TMD с нетрадиционными фазами остается сложной задачей.
В последние годы исследовательская группа профессора Чжана разработала ряд новых методов, таких как реакции твердого тела и газа и синтез с помощью соли, и успешно подготовила ряд высококачественных кристаллических материалов TMD с высокой фазовой чистотой и нетрадиционным 1T' фаза.
Благодаря своим уникальным полуметаллическим свойствам эти наноматериалы имеют большой потенциал для применения в области оптоэлектронных устройств, катализа, хранения энергии и сверхпроводимости.
В этом исследовании команда успешно разработала новый метод подготовки нанолистов TMD с нетрадиционными фазами. Они также исследовали зависимый от кристаллической фазы рост благородных металлов на нанолистах 1T'-TMD и 2H-TMD.
Они обнаружили, что использование обычного шаблона 2H-TMD в качестве шаблона облегчает эпитаксиальный рост наночастиц платины (Pt), тогда как нетрадиционный шаблон 1T'-TMD поддерживает одноатомно диспергированные атомы Pt (s-Pt). На основе этих результатов команда разработала катализатор на основе дисульфида молибдена (s-Pt/1T'-MoS 2 ) с одноатомно дисперсными атомами Pt/1T'-фазой.
Чтобы преодолеть ограничение массопереноса катализаторов на основе Pt в электрокаталитических реакциях выделения водорода в кислых средах, команда применила для испытаний передовую технологию плавающих электродов.
Их экспериментальные результаты показали, что катализатор s-Pt/1T'-MoS 2 проявляет высокую массовую активность 85±23 А мг Pt -1 при перенапряжении -50 мВ и нормализованную по массе плотность обменного тока (127 А мг Pt -1 ). Кроме того, катализатор может стабильно работать в течение 500 часов в водном электролизере с протонообменной мембраной, демонстрируя многообещающий потенциал применения.
Команда систематически исследовала фазозависимый рост благородных металлов на нанолистах 1T'-TMD и 2H-TMD и продемонстрировала, что нанолисты 1T'-TMD могут быть эффективными носителями для катализаторов.
Благодаря своей высокой активности и стабильности в электрокаталитической реакции выделения водорода в кислой среде, разработанный электрокатализатор может значительно повысить эффективность процесса производства водорода. Это важно, учитывая растущую потребность в чистых и устойчивых источниках энергии.
«Синтезированный новый электрокатализатор демонстрирует превосходную активность и превосходную стабильность в электрокаталитической реакции выделения водорода в кислых средах, и он будет играть чрезвычайно важную роль в развитии чистой энергетики в будущем», — сказал доктор Ши Чжэньюй, постдок кафедры Химия и первый автор статьи.
Наноматериалы TMD также обладают потенциалом для применения в оптоэлектронных устройствах, таких как солнечные батареи и светодиоды, а также в области сверхпроводимости и хранения энергии. Исследования в этой области еще находятся на ранней стадии, но результаты уже обнадеживают.
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться, будет ещё много таких. Есть мысли по предмету статьи и не только - приглашаю в комментарии. Также, если интересно, можете ознакомиться со страницами нашего проекта на других платформах, ссылки найдёте в описании канала. Кроме того, у меня есть страница на сервисе поддержки авторов Бусти, просто сообщаю, поддержка - дело добровольное, ссылка так же в описании канала.
Источник:
Женью Ши и др., Фазово-зависимый рост Pt на MoS2 для высокоэффективного выделения H2 (Zhenyu Shi et al, Phase-dependent growth of Pt on MoS2 for highly efficient H2 evolution), Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06339-3