Al igual que nos duchamos para eliminar toda la suciedad y otras partículas, los semiconductores también requieren un proceso de limpieza. Sin embargo, su limpieza es extrema para que incluso los contaminantes "no dejen rastro". Después de aplicar todos los materiales de fabricación de chipsa una oblea de silicio, se lleva a cabo un estricto proceso de limpieza para eliminar las partículas residuales. Si este paso de limpieza y eliminación de partículas de alta pureza sale mal, es probable que sus conexiones eléctricas en el chip se vean afectadas. Con dispositivos siempre miniaturizados en elmercado, los estándares de pureza de la industria electrónica alcanzan un nivel, como encontrar una aguja en un desierto.
Eso explica por qué el peróxido de hidrógeno H 2 O 2 , un importante químico de limpieza electrónica, es una de las materias primas químicas más valiosas que sustenta la industria de fabricación de chips.A pesar de la importancia cada vez mayor de H 2 O 2 , su industria se ha quedado con un método de múltiples pasos y de uso intensivo de energía conocido como el proceso de antraquinona. Este es un proceso no respetuoso con el medio ambiente que implica la etapa de hidrogenación utilizando catalizadores de paladio costosos. Alternativamente, H 2 O 2 se puede sintetizar directamente a partir del gas H2 y O2, aunque la reactividad sigue siendo muy pobre y requiere alta presión. Otro método ecológico es reducir electroquímicamente el oxígeno a H 2 O 2 a través de la vía de 2 electrones. Recientemente, se ha demostrado que los electrocatalizadores basados en metales nobles por ejemplo, Au-Pd, Pt-Hg y Pd-Hg muestran H 2 O 2 productividad, aunque una inversión tan cara ha tenido bajos rendimientos que no satisfacen las necesidades escalables de la industria.
Investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas dirigido por el Director Taeghwan HYEON y el Vicedirector Yung-Eun SUNG dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS en colaboración con el Profesor Jong Suk YOO de la Universidad de Seúl informaron recientemente sobre un electrocatalizador definitivo quetodos los problemas que preocupan H 2 O 2 producción. Este nuevo catalizador que comprende las moléculas óptimas de Co-N4 incorporadas en el grafeno dopado con nitrógeno, Co1-NG O, exhibe una reactividad electrocatalítica récord, produciendo hasta 8 veces más cantidad de H 2 O 2 que se pueden generar a partir de electrocatalizadores basados en metales nobles bastante caros por ejemplo, Pt, Au-Pd, Pt-Hg, etc.. Los catalizadores sintetizados comprenden en su totalidad elementos al menos 2000 veces menos costosos Co, N, C, y O que el catalizador de paladio convencional, y son excepcionalmente estables sin pérdida de actividad durante 110 horas de H 2 O 2 producción.
Por lo general, involucra diferentes fases de catalizadores generalmente sólidos y reactivos gas, los catalizadores heterogéneos se explotan ampliamente en muchos procesos industriales importantes. Sin embargo, se pensó que su propiedad catalítica se controlaba solo cambiando los elementos constituyentes. En este estudio,los investigadores verificaron que pueden inducir una interacción específica en catalizadores heterogéneos mediante el ajuste fino de las configuraciones atómicas locales de los elementos como se ve en los catalizadores enzimáticos. El director Hyeon, el autor correspondiente del estudio señala, "este estudio demostró con éxito la posibilidad de controlaruna propiedad catalítica al ajustar las composiciones atómicas. Este hallazgo puede acercarnos al descubrimiento de las propiedades fundamentales de las actividades catalíticas ".
Basado en el análisis teórico, se verificó que la densidad de carga de un átomo de cobalto en un grafeno dopado con nitrógeno depende en gran medida de la estructura de coordinación que rodea al átomo de cobalto. Por lo tanto, los investigadores pudieron controlar la densidad electrónica de los átomos de cobalto introduciendoespecies ricas en electrones o pobres en electrones, como átomos de oxígeno o hidrógeno. Cuando los átomos de oxígeno ricos en electrones están cerca, los átomos de Co se vuelven deficientes en electrones. Por otro lado, cuando el átomo de hidrógeno rico en electrones está cerca, la tendencia opuesta fueencontrado que generaría átomos de Co ricos en electrones. Curiosamente, la densidad electrónica de los átomos de Co fue fundamental para la electroquímica H 2 O 2 producción.
A continuación, los investigadores diseñaron la estructura atómica de cobalto óptima Co1¬-N4 O cumpliendo todas las condiciones necesarias, como la selección precisa del elemento, la temperatura de síntesis y diversas condiciones experimentales. Combinando simulaciones teóricas y tecnologías de síntesis de nanomateriales, los investigadores pudieron controlar la propiedad catalítica con precisión atómica. Con átomos de Co pobres en electrones Co1-NG O, pudieron producir H 2 O 2 con actividad y estabilidad significativamente altas, superando con creces los catalizadores de metales nobles de última generación. Por el contrario, los átomos de Co ricos en electrones exhibieron una alta reactividad para la reacción de reducción de oxígeno de 4 electrones a H 2 Formación de O que puede resultar útil para aplicaciones de pilas de combustible.
Sorprendentemente, 341,2 kg de H 2 O 2 se puede producir en 1 día a temperatura ambiente y presión atmosférica utilizando 1 kg de catalizador Co1-NG O. Esta cantidad de H 2 O 2 es hasta 8 veces mayor que la cantidad de H 2 O 2 producido por los catalizadores de metales nobles de última generación. Co1-N4 O es un catalizador definitivo que permite una producción de H a bajo costo, eficiente y ecológica 2 O 2 . El profesor Sung, el autor correspondiente dice: "Por primera vez, descubrimos que la propiedad catalítica de los catalizadores heterogéneos se puede ajustar con precisión atómica. Este resultado sin precedentes nos ayudará a comprender los aspectos desconocidos anteriores del H electroquímico. 2 O 2 producción. Con este conocimiento, podríamos diseñar un catalizador escalable que esté compuesto enteramente por elementos abundantes en la tierra Co, N, C y O. "
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Materiales proporcionado por Instituto de Ciencias Básicas . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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