Recientemente, el equipo de investigación dirigido por el profesor Wang Bin del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST) de la Academia de Ciencias de China informó que la tensión generada en burbujas de materiales 2D podría beneficiar la actividad catalítica de la reacción de evolución de hidrógeno (HER). El estudio fue publicado en Chem Catalysis .
El hidrógeno verde producido mediante la división electroquímica del agua ofrece el potencial de lograr procesos de producción neutros en carbono. Los catalizadores desempeñan un papel crucial a la hora de facilitar la HER en el ánodo, lo que lo convierte en un componente clave en la transición hacia un futuro energético sostenible.
Dicalcogenuros de metales de transición (TMD), particularmente MoS2 , han llamado la atención sobre la sustitución de materiales a base de platino. Se han implementado una serie de estrategias como ingeniería de defectos, dopaje, vacantes e interfaz para mejorar la actividad catalítica del MoS2. plano basal para el HER.
Sin embargo, a menudo se ha pasado por alto la influencia de las microestructuras fuera del plano (como arrugas u ondulaciones, volutas o pliegues y burbujas), que comúnmente existen en materiales 2D debido a su flexibilidad. Por lo tanto, la correlación entre los sitios activos y el rendimiento probado de los catalizadores sigue siendo cuestionable, especialmente considerando la fácil aparición de morfología curva en catalizadores prácticos.
En este estudio, el equipo del profesor Wang, inspirado por las burbujas que se fabricaron mediante el enfoque de arriba hacia abajo, realizó la adaptación de burbujas con diferentes curvaturas "libres de sustrato" en las interfaces entre la monocapa MoS2 y hBN mediante un método de transferencia asistida por gotas.
Los cálculos del modelado de elementos finitos (FEM) demostraron un aumento gradual en la distribución de deformaciones, moviéndose desde la periferia de la burbuja hacia su centro. Las burbujas grandes pueden alcanzar niveles de tensión de hasta el 1,74 %.
La teoría funcional de la densidad (DFT) demostró que estas burbujas inducen la formación de tensiones en MoS2 , que mejora la adsorción de protones y su cinética. En consecuencia, hubo un aumento sustancial en la actividad de HER, con valores que alcanzaron 129,65 mA cm -2 en comparación con 48,11 mA cm -2 a -0,4 V frente al electrodo de hidrógeno reversible (RHE).
"Nuestro equipo ha descubierto un método innovador para fabricar burbujas, que permite una personalización precisa y proporciona información sobre la profunda influencia de las burbujas en la distribución de las deformaciones. Los resultados experimentales mostraron que el nivel de deformación asociado con burbujas más grandes supera las deformaciones típicas inducidas por la distorsión de la red.
"Creemos que este hallazgo tiene implicaciones importantes para comprender la intrincada relación entre las estructuras fuera del plano y las propiedades intrínsecas del material", afirmó el profesor Wang.
Además, los estudios teóricos demostraron que la tensión que aparece en tales estructuras fuera del plano podría sintonizar la estructura electrónica y así ajustar el rendimiento de adsorción de protones de los catalizadores, lo que no sólo proporciona un catalizador más eficiente y estable para la producción de energía de hidrógeno, sino que también puede impulsar avances tecnológicos en otros campos relacionados.
Más información: Junjie Xiong et al, Cepa derivada de burbujas en las interfaces monocapa MoS2/hBN para mejorar la actividad de reacción de desprendimiento de hidrógeno, Chem Catalysis (2024). DOI:10.1016/j.checat.2024.100951. www.cell.com/chem-catalysis/ab… 2667-1093(24)00075-7
Proporcionado por la Academia China de Ciencias
