Un equipo de investigación dirigido por la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha logrado un avance innovador en nanomateriales al desarrollar con éxito un electrocatalizador altamente eficiente que puede mejorar significativamente la generación de hidrógeno mediante la división electroquímica del agua.
Este avance tiene un gran potencial de aplicación para la industria de la energía limpia.
El profesor Zhang Hua, catedrático Herman Hu de Nanomateriales en CityU, y su equipo han desarrollado un electrocatalizador utilizando nanohojas de dicalcogenuro de metales de transición (TMD) con fases cristalinas no convencionales como soportes. El electrocatalizador exhibe una actividad superior y una excelente estabilidad en la reacción electrocatalítica de desprendimiento de hidrógeno en medios ácidos.
"El hallazgo de nuestra investigación es significativo en el sentido de que el hidrógeno generado por la división electroquímica del agua se considera una de las energías limpias más prometedoras para reemplazar los combustibles fósiles en un futuro próximo, reduciendo la contaminación ambiental y el efecto invernadero", afirmó el profesor Zhang. /P>
Este importante hallazgo ha sido publicado en la revista Nature. con el título "Crecimiento dependiente de la fase de Pt en MoS2 para H2 altamente eficiente evolución."
El profesor Zhang dijo que la clave para la investigación sobre la división electrocatalítica del agua es desarrollar catalizadores estables y altamente eficientes. Es de gran importancia elegir un soporte adecuado para mejorar la actividad y estabilidad de los catalizadores durante el proceso.
Como material bidimensional (2D) emergente, las nanoláminas TMD han despertado gran interés entre los investigadores debido a sus propiedades físicas y químicas únicas.
Se ha descubierto que la fase es un factor extremadamente importante que determina las propiedades y funciones de las nanohojas TMD. Por ejemplo, disulfuro de molibdeno (MoS2 ) con la fase convencional 2H presenta una propiedad semiconductora, mientras que MoS2 con fase no convencional 1T o 1T′ muestra propiedades metálicas o semimetálicas, por lo que posee buena conductividad.
Sin embargo, la producción de nanohojas TMD de fase no convencional con alta pureza de fase y alta calidad sigue siendo un desafío. La investigación sobre el efecto de la fase cristalina de TMD en el crecimiento de otros materiales se encuentra todavía en una fase temprana.
En los últimos años, el equipo de investigación del profesor Zhang ha desarrollado una serie de métodos nuevos, como reacciones sólido-gas y síntesis asistida por sales, y ha preparado con éxito una serie de materiales cristalinos TMD de alta pureza de fase y alta calidad con 1T′ no convencional. fase.
Debido a sus propiedades semimetálicas únicas, estos nanomateriales tienen un gran potencial en aplicaciones en los campos de dispositivos optoelectrónicos, catálisis, almacenamiento de energía y superconductividad.
En esta investigación, el equipo desarrolló con éxito un nuevo método para preparar nanohojas TMD con fases no convencionales. También investigaron el crecimiento dependiente de la fase cristalina de metales nobles en nanoláminas de 1T′-TMD y 2H-TMD.
Descubrieron que el uso del 2H-TMD convencional como plantilla facilita el crecimiento epitaxial de nanopartículas de platino (Pt), mientras que el molde no convencional 1T′-TMD admite átomos de Pt (s-Pt) dispersos de un solo átomo. Sobre la base de estos hallazgos, el equipo desarrolló disulfuro de molibdeno en fase 1T' con átomos de Pt dispersos de un solo átomo (s-Pt/1T′-MoS2 ) catalizador.
Para superar la limitación del transporte de masa de los catalizadores basados en Pt en reacciones electrocatalíticas de evolución de hidrógeno en medios ácidos, el equipo adoptó una tecnología avanzada de electrodo flotante para las pruebas.
Sus resultados experimentales encontraron que el s-Pt/1T′-MoS2 El catalizador exhibió una alta actividad de masa de 85 ± 23 A mgPt. -1 a un sobrepotencial de −50 mV y una densidad de corriente de intercambio normalizada en masa (127 A mgPt -1 ). Además, el catalizador puede funcionar de manera estable durante 500 horas en un electrolizador de agua con membrana de intercambio de protones, lo que muestra un potencial de aplicación prometedor.
El equipo investigó sistemáticamente el crecimiento dependiente de la fase de metales nobles en nanohojas de 1T′-TMD y 2H-TMD, y demostró que las nanohojas de 1T′-TMD pueden ser soportes eficaces para catalizadores.
"El nuevo electrocatalizador sintetizado exhibe una actividad superior y una excelente estabilidad en la reacción electrocatalítica de desprendimiento de hidrógeno en medios ácidos, y desempeñará un papel extremadamente importante en el desarrollo de energía limpia en el futuro", afirmó el Dr. Shi Zhenyu, postdoctorado en el Departamento de Química y primer autor del artículo.
Los hallazgos han ampliado el alcance de la "Ingeniería de fases de nanomateriales" (PEN), allanando un nuevo camino para el diseño y la síntesis de catalizadores altamente eficientes. El profesor Zhang dijo que en el futuro, el equipo continuará la investigación sobre el catalizador basado en 1T′-TMD y sus perspectivas en la aplicación industrial, para contribuir a la energía limpia y al desarrollo sostenible.
Los autores correspondientes son el profesor Zhang y el profesor Anthony R. J. Kucernak del Departamento de Química del Imperial College de Londres. Este proyecto de investigación reunió a colaboradores de universidades e institutos de investigación de Hong Kong, China continental, Singapur y el Reino Unido, lo que demuestra la importancia de la colaboración internacional para lograr avances científicos.
Más información: Zhenyu Shi et al, Crecimiento dependiente de la fase de Pt en MoS2 para una evolución de H2 altamente eficiente, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06339-3
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de la ciudad de Hong Kong
