Νανοτεχνολογία: Νέο τεστ ανοίγει το δρόμο για καλύτερους δισδιάστατους καταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου

Από στις 6 Οκτωβρίου 2017

Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο William Marsh Rice (στο εξής απλά Rice), ερεύνησαν σε βάθος τους πάχους ενός ατόμου καταλύτες που παράγουν υδρογόνο για να διαπιστώσουν με ακρίβεια από που προέρχεται αυτό. Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν να επιταχύνουν την ανάπτυξη δισδιάστατων (2-D) υλικών για ενεργειακές εφαρμογές, όπως οι κυψέλες καυσίμου. Ο επιστήμονας του Εργαστηρίου Υλικών του Rice, Jun Lou, με συναδέλφους του στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos, ανέπτυξε μια τεχνική να παρακολουθεί μέσω πολύ μικρών «παραθύρων» που δημιουργούνται από μια δέσμη ηλεκτρονίων και να μετράει την καταλυτική δραστηριότητα του δισουλφιδίου του μαλυβδαινίου (διθειούχο μολυβδαίνιο), ένα δισδιάστατο υλικό που δείχνει να υπόσχεται για εφαρμογές που χρησιμοποιούν ηλεκτροκατάλυση για να εξάγουν υδρογόνο από το νερό.

Οι αρχικές δοκιμές σε δυο παραλλαγές του υλικού απέδειξαν ότι η περισσότερη παραγωγή προέρχεται από τα άκρα των λεπτών φύλλων. Ο ερευνητές δημοσίευσαν τα αποτελέσματα της έρευνάς τους στο Advanced Materials, αυτού του μήνα. Οι ερευνητές γνώριζαν ήδη ότι τα άκρα των 2-D υλικών είναι εκεί όπου συμβαίνει η καταλυτική δράση, έτσι οποιαδήποτε πληροφορία που βοηθάει να μεγιστοποιηθεί είναι πολύτιμη, αναφέρει ο Lou. «Χρησιμοποιούμε αυτή τη νέα τεχνολογία για να προσδιορίσουμε τις ενεργές περιοχές που έχουν από καιρού προβλεφθεί από τη θεωρία», είπε. «Υπήρχαν ορισμένες έμμεσες αποδείξεις ότι οι περιοχές των άκρων είναι πάντα περισσότερο ενεργές από τα επίπεδα βάσης, αλλά τώρα έχουμε άμεση απόδειξη».

Τα μικροτσίπ ανιχνευτές που αναπτύχθηκαν στο Los Alamos και η μέθοδος που δημιουργήθηκε από τον Lou και τον επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης Jing Zhang, μεταδιδακτορικό ερευνητή στο Rice, ανοίγουν ένα μονοπάτι για γρήγορη εξέταση της δυνατότητας υποψηφίων για την αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου, μεταξύ των 2-D υλικών. «Η πλειονότητα του υλικού είναι στην επιφάνεια και θέλεις αυτό να είναι ένας ενεργός καταλύτης μάλλον, παρά μόνο η άκρη», είπε ο Lou. «Εάν η αντίδραση συμβαίνει στην άκρη, χάνεις το πλεονέκτημα του να έχεις όλη την περιοχή της επιφάνειας που παρέχεται από μια δισδιάστατη γεωμετρία».

Το εργαστήριο έλεγξε νιφάδες δισουλφιδίου του μολυβδαινίου με διαφορετικές κρυσταλλικές δομές γνωστές ως παραμορφωμένο οκτάεδρο («1Τ prime») και τριγωνική πρισματική (2Η). «Είναι βασικά το ίδιο υλικό με την ίδια χημική σύνθεση, όμως οι θέσεις των ατόμων τους είναι διαφορετικές», σημείωσε ο Lou. «Το 1Τ prime είναι μεταλλικό και το 2Η είναι ένας ημιαγωγός». Οι ερευνητές έχουν μέχρι τώρα πειραματικά αποδείξει ότι το πιο αγώγιμο 1Τ prime, ήταν καταλυτικό σε όλη την περιοχή της επιφάνειας, όμως η μελέτη του Rice απέδειξε ότι δεν είναι εξ ολοκλήρου ακριβές. «Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι τα άκρα του 1Τ prime είναι πάντα περισσότερο ενεργά από ότι το επίπεδο βάσης. Αυτό ήταν μια νέα ανακάλυψη», είπε.

Μετά την παρασκευή των νιφάδων μέσω χημικής απόθεσης ατμών, ο Zhang χρησιμοποίησε μια μέθοδο εξάτμισης με ηλεκτρονιακή δέσμη για να εναποθέσει ηλεκτρόδια σε μεμονωμένες νιφάδες. Μετά πρόσθεσε ένα μονωτικό στρώμα πολυ(μεθακρυλικού μεθυλεστερα), ένα διαφανές θερμοπλαστικό και δημιούργησαν ένα μοτίβο «παραθύρων» στο αδρανές υλικό μέσω λιθογραφίας ηλεκτρονιακής δέσμης (e-beam lithography). Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να ερευνήσουν και τις δύο άκρες και τα επίπεδα βάσης του 2-D υλικού ή μόνο συγκεκριμένες άκρες, σε ανάλυση υπο-μικρόν (μικρότερο του μικρόμετρου του  ενός εκατομμυριοστού του μέτρου).

Το 16 ανιχνευτών σε τετραγωνική ίντσα τσιπ που κατασκευάστηκε στο Los Alamos προσφέρει με παλμό ενέργεια στις νιφάδες μέσω των «παραθύρων». Όταν παράγεται το υδρογόνο, δραπετεύει ως αέριο αλλά κλέβει ένα ηλεκτρόνιο από το υλικό. Αυτό δημιουργεί ένα ρεύμα που μπορεί να μετρηθεί μέσω των ηλεκτροδίων. Οι ανιχνευτές μπορούν να αντιμετωπίζονται ατομικά ή όλοι με μιας, επιτρέποντας τους ερευνητές να παίρνουν δεδομένα για πολλαπλά μέρη σε μια μόνο νιφάδα ή από πολλαπλές νιφάδες.

Γρήγορες δοκιμές θα βοηθήσουν τους ερευνητές να κάνουν τα μικροσκοπικά τους υλικά πιο αποτελεσματικά για να μεγιστοποιήσουν την καταλυτική δραστηριότητα των επιπέδων βάσης. «Τώρα υπάρχει κίνητρο να αξιοποιηθεί το δυνατό σημείο του υλικού – η περιοχή της επιφάνειάς – ως καταλύτης», είπε ο Lou. «Αυτό πρόκειται να είναι μια πολύ καλή τεχνική ελέγχου για να επιταχύνει την ανάπτυξη των δισδιάστατων υλικών».

Πηγή: Rice University

Περισσότερα στη δημοσίευση: Unveiling Active Sites for the Hydrogen Evolution Reaction on Monolayer MoS2. Advanced Materials.

Egno Editorial

Egno Editorial

Το Editorial Team του egno. Επικοινωνήστε μαζί μας μέσω της φόρμας επικοινωνίας.