الکتروکاتالیست تک‌اتمی برای تولید هیدروژن ارزان ساخته شد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محدودیت سوخت‌های فسیلی و تهدید‌های فزاینده تغییرات آب و هوایی، محققان را تشویق به توسعه فناوری‌های جایگزین برای تولید سوخت‌های سازگار با محیط زیست کرده است. هیدروژن سبز تولید شده از الکترولیز آب با استفاده از برق تجدیدپذیر به‌عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر نسل بعدی برای آینده در نظر گرفته می‌شود. اما در واقعیت، اکثریت قریب به اتفاق سوخت‌های هیدروژن از پالایش سوخت‌های فسیلی به دست می‌آید که دلیل آن نیز هزینه بالای الکترولیز است.

در حال حاضر، راندمان الکترولیز آب محدود است و به‌دلیل عدم وجود الکتروکاتالیست‌های کارآمد برای واکنش‌های تولید هیدروژن، اغلب به ولتاژ سلولی بالا نیاز دارد. فلزات نجیب مانند پلاتین (Pt) به‌عنوان کاتالیزور برای بهبود تولید هیدروژن در هر دو محیط اسیدی / قلیایی استفاده می‌شود. با این حال، کاتالیزور‌های فلز نجیب بسیار گران هستند و در عملکرد طولانی مدت پایداری ضعیفی از خود نشان می‌دهند.

کاتالیزور‌های تک اتمی نسبت به همتایان خود دارای مزایایی هستند، همتایانی که تنها اتم‌های سطحی آن‌ها برای واکنش در دسترس هستند. با این حال، از آنجایی که کاتالیست‌های تک فلز-اتم ساختار بسیار ساده‌ای دارند، انجام اصلاحات بیشتر روی این کاتالیزور‌ها برای استفاده از آن‌ها در واکنش‌های چند مرحله‌ای پیچیده، نسبتاً دشوار است.

ساده‌ترین راه برای اصلاح تک اتم‌ها، تبدیل آن‌ها به دیمر‌ها است که دو اتم منفرد مختلف را با هم ترکیب می‌کنند. تنظیم محل فعال کاتالیزور‌های تک اتمی با دایمر‌ها می‌تواند به لطف اثر هم افزایی بین دو اتم مختلف، سینتیک واکنش را بهبود بخشد. با این حال، هرچند سنتز و شناسایی ساختار دایمر تک اتمی از نظر مفهومی شناخته شده است، اما تحقق عملی آن بسیار دشوار بوده است.

این مشکل توسط یک تیم تحقیقاتی از مرکز فیزیک نانوساختار یکپارچه در موسسه علوم پایه (IBS) واقع در دانشگاه سونگ کیونکوان حل شد. این تیم تحقیقاتی با موفقیت یک ساختار دایمر Ni-Co تثبیت شده بر روی یک تکیه گاه کربنی دوپ شده با نیتروژن ایجاد کرد که NiCo-SAD-NC نام داشت. اشوانی کومار، نویسنده اول این مطالعه می‌گوید: «ما ساختار دایمر تک اتمی Ni-Co را بر روی پشتیبان کربن دوپ شده با نیتروژن سنتز کردیم. این کار از طریق به دام انداختن درجا یون‌های Ni/Co در کره پلی دوپامین و به دنبال آن تجزیه حرارتی صورت گرفت.»

محققان دریافتند که بازپخت به مدت دو ساعت در دمای ۸۰۰ درجه سانتیگراد در اتمسفر آرگون بهترین شرایط برای به دست آوردن ساختار دایمر است. سایر دایمر‌های تک اتمی، مانند CoMn و CoFe نیز می‌توانند با استفاده از همین روش سنتز شوند.

این تیم تحقیقاتی کارایی کاتالیزوری این سیستم جدید خود را برای هدایت واکنش تولید هیدروژن ارزیابی کرد. الکتروکاتالیست NiCo-SAD-NC دارای سطح اضافه ولتاژ بالایی در مقایسه با کاتالیزور‌های تجاری مبتنی بر پلاتین در محیط‌های اسیدی و قلیایی بود. NiCo-SAD-NC همچنین هشت برابر بیشتر از کاتالیزور‌های تک اتمی Ni/Co و نانوذرات ناهمگن NiCo در محیط‌های قلیایی فعالیت داشت. در همان زمان، فعالیت آن به ترتیب ۱۷ و ۱۱ برابر بیشتر از کاتالیزور‌های تک اتمی Co و Ni و ۱۳ برابر بیشتر از نانوذرات معمولی Ni/Co در محیط اسیدی بود. علاوه بر این، محققان پایداری طولانی‌مدت کاتالیزور جدید را نشان دادند که قادر به انجام واکنش به مدت ۵۰ ساعت بدون تغییر ساختار بود.

اشوانی کومار همچنین توضیح می‌دهد: «این مطالعه ما را یک گام به اقتصاد هیدروژن سبز و بدون کربن نزدیک‌تر می‌کند. این الکتروکاتالیست در تولید هیدروژن بسیار کارآمد و ارزان به ما کمک می‌کند تا بر چالش‌های درازمدت تولید هیدروژن سبز و مقرون به صرفه غلبه کنیم.»