Los experimentos que utilizan rayos X en dos líneas de luz en el Sincrotrón australiano han ayudado a caracterizar una nueva clase de catalizadores de un solo átomo (SAC) apoyados en nanotubos de carbono que exhiben una reducción electroquímica sobresaliente de CO2 a CO. Una carga de peso del 20% en peso para la nueva clase , nanotubos de carbono dopados con nitrógeno de un solo átomo de níquel (NiSA-N-CNT), se cree que es la carga de metal más alta para SAC reportada hasta la fecha.

Átomos individuales de níquel, el cobalto y el hierro se apoyaron en nanotubos de carbono dopados con nitrógeno mediante un método de pirólisis en un solo recipiente y se compararon en el estudio.

Una gran colaboración internacional, dirigido por el profesor San Ping Jiang, Subdirector del Instituto de Tecnología de Combustibles y Energía de la Universidad Tecnológica de Curtin y asociados del Departamento de Ingeniería Química, han desarrollado un nuevo proceso de síntesis y desarrollo de nanotubos de carbono dopados con nitrógeno con un ligando de níquel que demuestran una alta actividad catalítica.

El estudio fue publicado en Materiales avanzados y aparece en la portada interior de la publicación.

Dr. Bernt Johannessen, científico de instrumentos en la línea de luz de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) en el Sincrotrón de Australia fue coautor del artículo, que también incluyó a investigadores principales de la Universidad de Tecnología de Curtin y colaboradores de la Universidad de Australia Occidental, Instituto de Investigación de Metales (China), Laboratorio Nacional Oak Ridge (EE. UU.), Universidad de la Costa del Sol, Universidad de Queensland, Universidad de Tsinghua (China) y Universidad King Abdulaziz (Arabia Saudita). El Dr. Bruce Cowie, científico australiano de instrumentos de sincrotrón, proporcionó apoyo técnico y asesoramiento sobre los experimentos de espectroscopía de rayos X suaves.

"Toda la idea detrás del enfoque es que las partículas más pequeñas que tienes, cuanto más catalíticamente activos son. A medida que avanza hacia un tamaño de nanopartícula, ve un aumento de la actividad catalítica. Y si lo llevas al extremo está mirando átomos de un solo metal anclados en un sustrato de soporte de carbono, "dijo Johannessen.

"Debido a que los átomos de la superficie se comportan de manera diferente a la masa u otros átomos, Se usó XAS para verificar que, de hecho, hubiera átomos únicos y la posición de esos átomos de níquel en relación con otros átomos. Pudimos determinar la longitud de los enlaces y los números de coordinación ".

La adición o sustracción de átomos individuales de una partícula abre la posibilidad de ajustar sus propiedades.

El desafío ha sido mantener los átomos de metal, que proporcionan una fuerte unión de soporte de metal, interactúen entre sí y se agreguen debido a su mayor energía superficial.

Los investigadores superaron esto mediante el desarrollo de un método de varios pasos para sintetizar átomos de níquel dispersos atómicamente en CNT dopados con nitrógeno que incluían la descomposición de la solución precursora a alta temperatura.

Las mediciones de espectroscopía de absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES) en el Sincrotrón australiano proporcionaron evidencia de apoyo de la eficiencia electroquímica de NiSA-N-CNT. Los resultados sugirieron que las especies Ni-N son los centros activos para la reacción de reducción de CO2 a CO. Los átomos de níquel individuales se mantienen coordinando átomos de nitrógeno en la estructura de nanotubos de carbono dopados con N y esto ayuda a estabilizar la estructura de la agregación de metales.

Los NiSA-N-CNT también demostraron una frecuencia de recambio más alta que otros CNT dopados con nitrógeno. Los datos confirmaron que no hubo agregación o descomposición obvia del níquel y también revelaron la durabilidad estructural de los NiSA-N-CNT como electrocatalizadores.

Se llevaron a cabo otras técnicas y simulaciones como parte de la caracterización de materiales y para confirmar la reducción de la reacción de CO2.

La nueva clase de SAC tiene un enorme potencial con aplicaciones prometedoras en las áreas de electrocatálisis y catalizadores para la conversión de energía, así como otros usos.