Si bien el hidrógeno se sugiere ampliamente como combustible alternativo con cero emisiones de carbono, la mayor parte de la producción comercial de combustible de hidrógeno se obtiene del refinado de combustibles fósiles. La reserva limitada de combustibles fósiles y su impacto negativo en el medio ambiente ha alentado a los investigadores a desarrollartecnologías alternativas para producir combustible de hidrógeno mediante un proceso ecológico. Ese "hidrógeno verde" se puede producir a partir de la electrólisis del agua, que es abundante en la naturaleza, utilizando electricidad derivada de una fuente de energía renovable. Sin embargo, la eficiencia de la electrólisis del agua essignificativamente limitado debido a la lenta reacción de evolución de oxígeno REA, que requiere un alto voltaje termodinámico de 1,23 V.
Para ahorrar energía para la generación de hidrógeno, reemplazar la electrólisis lenta del agua con la reacción de oxidación de la urea UOR ofrece una gran promesa, debido a las condiciones termodinámicamente favorables 0,37 V, voltaje termodinámico de la electrólisis de la urea. Hay una ventaja adicional de mitigar el problemade contaminación con urea, donde alrededor de 2200 billones de toneladas de aguas residuales ricas en urea se vierten al río cada año. Los catalizadores basados en metales nobles, como el platino Pt y el rodio Rh, se utilizan para mejorar la velocidad del proceso de oxidaciónSin embargo, estos catalizadores de metales nobles son muy caros y muestran un rendimiento deficiente en una operación a largo plazo.
Recientemente, los catalizadores de un solo átomo SAC han mostrado un rendimiento excepcional en comparación con sus homólogos basados en nanomateriales. Sin embargo, la baja carga de metal <3% en peso de los SAC, que es causada por la tendencia de los átomos de la superficie a migrar, plantea un serio desafío para una aplicación escalable.
Dirigido por el Director Asociado LEE Hyoyoung del Centro de Física Integrada de Nanoestructuras dentro del Instituto de Ciencias Básicas IBS ubicado en la Universidad de Sungkyunkwan, el equipo de investigación del IBS desarrolló una estrategia para lograr una carga ultra alta de sitios de átomos de un solo metal.logrado mediante la introducción de tensión superficial en el material de soporte, lo que permitió una generación de combustible de hidrógeno asistida por oxidación de urea excepcional.
"Usamos el método de enfriamiento con nitrógeno líquido para generar tensión de tracción en la superficie del óxido de cobalto Co 3 O 4 .La velocidad de enfriamiento ultra alta expande el parámetro de la red de la muestra templada debido a la expansión térmica, dando lugar a la tensión de tracción en la superficie del óxido.La superficie tensa de Co 3 O 4 estabilizado ~ 200% más de carga de átomo único de rodio Rh SA ; 6.6% en peso de carga a granel y 11.6% en peso de carga superficial en sitios en comparación con el Co prístino 3 O 4 superficie. Descubrimos que la superficie deformada puede aumentar significativamente la barrera de energía de migración de Rh SA en comparación con la superficie prístina, inhibiendo su migración y aglomeración ", dice el candidato a doctorado, Ashwani Kumar, primer autor del estudio.
"Estábamos muy emocionados de descubrir que la alta carga de Rh SA estabilizado en el Co tenso 3 O 4 la superficie demostró una excepcional actividad de UOR y estabilidad tanto en medios alcalinos como ácidos, que fue muy superior al Pt / C y Rh / C comerciales. Esta estrategia de deformación superficial en el campo de los SAC nunca se había informado hasta nuestros hallazgos ", señalaEl director asociado Lee, el autor correspondiente del estudio. Los investigadores también encontraron que esta estrategia para la alta carga de sitios de un solo átomo no solo se limitaba al rodio. Carga ultra alta de otros metales nobles como platino, iridio yLos sitios de un solo átomo basados en rutenio también se estabilizaron utilizando la estrategia de superficie deformada, que proporciona el terreno para una aplicación más general de este descubrimiento.
El equipo de investigación evaluó la eficiencia catalítica y el voltaje de trabajo necesarios para la oxidación de la urea utilizando este nuevo catalizador. El catalizador avanzado Rh SA en Co filtrado 3 O 4 solo requiere 1,28 V en comparación con el electrodo de hidrógeno reversible RHE para alcanzar una densidad de corriente de 10 mA miliamperios por cm 2 del electrodo, que era más bajo que los requisitos de los catalizadores comerciales de Pt y Rh de 1,34 y 1,45 V, respectivamente. Además, el catalizador también mostró estabilidad a largo plazo durante 100 horas sin ningún cambio de estructura. El grupousó la simulación de la teoría funcional de la densidad para explorar el origen del extraordinario rendimiento del nuevo catalizador, que se reveló debido a la superior adsorción de urea y estabilización de los intermedios CO * / NH *. Además, la electrólisis de la urea ahorró ~ 16,1% más de energía en comparación conelectrólisis de agua para la generación de hidrógeno.
El director asociado Lee explica: "Este estudio proporciona una estrategia general para estabilizar la alta carga de sitios de un solo átomo para aplicaciones escalables, que fue un problema de larga data en el campo de los SAC. Además, este estudio nos da un paso másmás cerca de una economía de hidrógeno libre de carbono y que ahorra energía. Este electrocatalizador de oxidación de urea altamente eficiente nos ayudará a superar los desafíos a largo plazo del proceso de refinación de combustibles fósiles: producir hidrógeno de alta pureza para aplicaciones comerciales a bajo precio yde una manera ecológica. "
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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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