Wenn sich die Welt in Richtung nachhaltiger Energie bewegt, wird Wasserstoff wahrscheinlich eine unschätzbare Rolle als sauberer und vielseitiger Kraftstoff spielen. Die Einführung von Wasserstofftechnologien hängt jedoch davon ab, wichtige Herausforderungen bei der Elektrokatalyse zu überwinden, bei denen kostspielige und knappe Metalle der Platingruppen seit langem die Branchenstandard sind. Ein Forschungsteam hat nun einen Schritt unternommen, um dies zu korrigieren, und hat nun eine neue Strategie entwickelt, die elektronische Wechselwirkungen auf atomarer Ebene feiner Tunhöte.
Die Studie führt einen innovativen Ansatz für elektronische Feinabstimmungen (EFT) ein, um die Wechselwirkungen zwischen Zink (Zn) und Ruthenium (RU) zu verbessern, was zu einem hochaktiven und stabilen Katalysator sowohl für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) als auch für die Reaktion der Wasserstoffentwicklung führt (IHR). Durch die Verankerung von Ru-Clustern auf hierarchisch geschichteten Zn-NC-Nanoblättern (als RU@Zn-SAS/NC bezeichnet) hat das Team ein Material entworfen, das kommerzielle Katalysatoren auf Platinbasis übertrifft.
„Unsere Arbeit zeigt, wie eine genaue Kontrolle über elektronische Strukturen die katalytische Leistung grundlegend neu machen kann“, sagt Hao Li, Associate Professor am Advanced Institute for Materials Research (WPII-AIMR) der Tohoku University und entsprechender Autor des Papiers. „Durch die Nutzung der Synergie zwischen Zn und Ru haben wir eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Platinkatalysatoren entwickelt, die neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Wasserstoffproduktion anbieten.“
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch ist die starke elektronische Metallunterstützungswechselwirkung (EMSI) zwischen Zn und RU, die die Adsorptionsenergie kritischer Reaktionsintermediate optimiert. Röntgenabsorptionsspektroskopie und Rechenmodellierung bestätigen, dass sich diese Synergie *ooh und *oh Adsorptionsenergien zu einem optimalen Gleichgewicht verändert, wodurch die ORR-Effizienz verbessert wird. Gleichzeitig erreichen RU-Stellen nahezu ideale Wasserstoffbindung freie Energie und platzieren den Katalysator auf dem Peak der theoretischen ihrer Aktivität.
„Bei dieser Forschung geht es nicht nur darum, Platin zu ersetzen“, erklärt Li. „Es geht darum zu verstehen, wie elektronische Eigenschaften auf Atomebene die katalytische Effizienz diktieren. Dieses Wissen ermöglicht es uns, bessere, zugängliche Materialien für reale Anwendungen zu entwerfen.“
Diese Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die Erschwinglichkeit und Skalierbarkeit von Wasserstoffenergie. Durch die Verringerung der Abhängigkeit von teuren Platin und Verbesserung der Leistung trägt diese Forschung zur Entwicklung kostengünstiger Wasserstoffbrennstoffzellen, Wasserelektrolysesysteme und nachhaltiger industrieller Prozesse bei.
Mit Blick auf die Zukunft plant das Team, die EFT-Strategie weiter zu verfeinern, die Katalysatorstabilität unter realen Bedingungen zu verbessern und skalierbare Produktionsmethoden zu entwickeln. Anwendungen in Zink-Luft-Batterien, Brennstoffzellen sowie Reaktionen zur Reduzierung von Kohlenstoff und Stickstoff werden ebenfalls untersucht.
Die Forschung wurde über die digitale Katalyseplattform (DIGCAT), die bisher größte experimentelle Katalysedatenbank, zur Verfügung gestellt, die vom Hao Li -Labor entwickelt wurde.
Details zu den Erkenntnissen wurden im Journal Advanced Functional Materials veröffentlicht. Die Artikelverarbeitungsgebühr (APC) wurde vom Support -Programm der Tohoku University unterstützt.
