Imagen 3D de átomos de cobalto individuales en grafeno dopado con nitrógeno. Fue crucial para este estudio controlar el entorno de coordinación de un solo átomo de cobalto, ya que esta estructura de coordinación afecta directamente a las propiedades catalíticas del catalizador global. Crédito:IBS
Los científicos del IBS y sus colegas han informado recientemente sobre un electrocatalizador definitivo que aborda todos los problemas que preocupan a H 2 O 2 producción. Este nuevo catalizador que comprende el Co-N óptimo 4 moléculas incorporadas en grafeno dopado con nitrógeno, Co 1 -NG (O), exhibe una reactividad electrocatalítica récord, produciendo hasta 8 veces más que la cantidad de H 2 O 2 que se puede generar a partir de electrocatalizadores basados en metales nobles bastante caros.
Así como nos duchamos para lavar la suciedad y otras partículas, los semiconductores también requieren un proceso de limpieza. Sin embargo, su limpieza llega a extremos para asegurar que incluso los rastros de contaminantes "no dejen rastro". Después de aplicar todos los materiales de fabricación del chip a 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 las conexiones eléctricas en el chip lo sufran. Con dispositivos siempre miniaturizados en el mercado, los estándares de pureza de la industria electrónica alcanzan un nivel equivalente a 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 nocivo para el medio ambiente que implica la etapa de hidrogenación utilizando costosos catalizadores de paladio. Alternativamente, H 2 O 2 se puede sintetizar directamente a partir de H 2 y O 2 gas, aunque la reactividad es todavía muy pobre y requiere alta presión. Otro método ecológico es reducir electroquímicamente el oxígeno a H 2 O 2 a a través de la vía de 2 electrones. Recientemente, electrocatalizadores a base de metales nobles (por ejemplo, Au-Pd, Pt-Hg, y Pd-Hg) han demostrado mostrar H 2 O 2 productividad, aunque inversiones tan costosas han obtenido bajos rendimientos que no satisfacen las necesidades escalables de la industria.
Ajuste a nivel atómico del catalizador de Co-N4 / grafeno. Los átomos de cobalto están coordinados con cuatro átomos de nitrógeno que forman una estructura plana cuadrada de Co-N4 en grafeno dopado con nitrógeno (Co-N4 / grafeno). Los investigadores podrían controlar el estado de carga de los átomos de cobalto introduciendo ricos en electrones (por ejemplo, oxígeno) o pobre en electrones (por ejemplo, átomos de hidrógeno) cerca de la estructura de Co-N4. Específicamente, cuando los átomos de oxígeno ricos en electrones estaban cerca de Co-N4 (Co-N4 (O)), el estado de carga de los átomos de cobalto disminuyó ligeramente convirtiéndose en cobalto pobre en electrones, que mostró una mejora significativa en la producción electroquímica de H2O2. En cambio, cuando los átomos de hidrógeno ricos en electrones estaban cerca de la estructura de Co-N4, Co-N4 (2H), El átomo de cobalto se volvió rico en electrones, haciéndolo menos favorable para la producción de H2O2. Crédito:IBS
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 que aborda todos de los problemas que dificultan H 2 O 2 producción. Este nuevo catalizador que comprende el Co-N óptimo 4 moléculas incorporadas en grafeno dopado con nitrógeno, Co 1 -NG (O), exhibe una reactividad electrocatalítica récord, produciendo hasta 8 veces más H 2 O 2 que se puede generar a partir de electrocatalizadores basados en metales nobles relativamente caros (por ejemplo, Pt, Au-Pd, Pt-Hg y así sucesivamente). Los catalizadores sintetizados están hechos de elementos al menos 2000 veces menos costosos (Co, NORTE, 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. Todavía, se pensaba 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 ajustando las configuraciones atómicas locales de los elementos como se ve en los catalizadores enzimáticos (Figura 2). Director Hyeon, el autor correspondiente de las notas del estudio, "Este estudio demostró con éxito la posibilidad de controlar una propiedad catalítica ajustando las composiciones atómicas. Este hallazgo puede acercarnos al descubrimiento de las propiedades fundamentales de las actividades catalíticas".
Basado en análisis teórico, Se verificó que la densidad de carga de un átomo de cobalto en 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 introduciendo especies ricas en electrones o pobres en electrones, como los 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 otra parte, cuando un átomo de hidrógeno rico en electrones está cerca, se encontró la tendencia opuesta (que generaría átomos de Co ricos en electrones). Muy interesante, la densidad de electrones de los átomos de Co fue fundamental para el H electroquímico 2 O 2 producción.
Resumen de la productividad de H2O2 para varios electrocatalizadores. 1 kg de catalizador optimizado de Co1-NG (O) puede producir 341,2 kg de H2O2 en 1 día, que es hasta 8 veces mayor que la cantidad de H2O2 que pueden producir los electrocatalizadores de metales nobles de última generación. Crédito:IBS
Próximo, los investigadores diseñaron la estructura atómica de cobalto óptima (Co 1 -NORTE 4 (O)) al tener todas las condiciones requeridas, como la selección precisa del elemento, Se cumplieron la temperatura de síntesis y varias 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 (Co 1 -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. En cambio, Los átomos de Co ricos en electrones exhibieron una alta reactividad para la reacción de reducción de oxígeno de 4 electrones a la formación de H2O, lo que podría resultar útil para aplicaciones de pilas de combustible.
Asombrosamente, 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 (Figura 3). Co 1 -NORTE 4 (O)) es un catalizador que permite a bajo costo, eficiente, y producción ecológica de H 2 O 2 .
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 de la H electroquímica 2 O 2 producción. Con este conocimiento, podríamos diseñar un catalizador escalable que esté completamente compuesto de elementos abundantes en la tierra (Co, NORTE, C, y O) ".
El estudio se publica en Materiales de la naturaleza .
