Imagem 3D de átomos únicos de cobalto em grafeno dopado com nitrogênio. Foi crucial para este estudo controlar o ambiente de coordenação de um único átomo de cobalto, uma vez que esta estrutura de coordenação afeta diretamente as propriedades catalíticas do catalisador geral. Crédito:IBS
Cientistas do IBS e seus colegas relataram recentemente um eletrocatalisador final que aborda todos os problemas que preocupam H 2 O 2 Produção. Este novo catalisador compreende o Co-N ideal 4 moléculas incorporadas em grafeno dopado com nitrogênio, Co 1 -NG (O), exibe uma reatividade eletrocatalítica recorde, produzindo até 8 vezes maior que a quantidade de H 2 O 2 que pode ser gerado a partir de eletrocatalisadores à base de metais nobres bastante caros.
Assim como tomamos banho para lavar a sujeira e outras partículas, semicondutores também requerem um processo de limpeza. Contudo, sua limpeza vai a extremos para garantir que até mesmo traços de contaminantes "não deixem rastros". Depois que todos os materiais de fabricação do chip são aplicados a uma pastilha de silício, um processo de limpeza rigoroso é realizado para remover as partículas residuais. Se esta etapa de limpeza de alta pureza e remoção de partículas der errado, as conexões elétricas no chip podem sofrer com isso. Com gadgets cada vez mais miniaturizados no mercado, os padrões de pureza da indústria eletrônica atingem um nível equivalente a encontrar uma agulha no deserto.
Isso explica porque o peróxido de hidrogênio (H 2 O 2 ), um importante produto químico de limpeza eletrônica, é uma das matérias-primas químicas mais valiosas que sustentam a indústria de fabricação de chips. Apesar da importância cada vez maior de H 2 O 2 , sua indústria ficou com um método de várias etapas que consome muita energia, conhecido como processo da antraquinona. Este é um processo prejudicial ao meio ambiente que envolve a etapa de hidrogenação usando catalisadores de paládio caros. Alternativamente, H 2 O 2 pode ser sintetizado diretamente de H 2 e O 2 gás, embora a reatividade ainda seja muito fraca e requeira alta pressão. Outro método ecológico é reduzir eletroquimicamente o oxigênio a H 2 O 2 a via via de 2 elétrons. Recentemente, eletrocatalisadores à base de metais nobres (por exemplo, Au-Pd, Pt-Hg, e Pd-Hg) demonstraram mostrar H 2 O 2 produtividade, embora esses investimentos caros tenham gerado retornos baixos que não atendem às necessidades escalonáveis da indústria.
Ajuste de nível atômico do catalisador Co-N4 / grafeno. Os átomos de cobalto são coordenados com quatro átomos de nitrogênio formando uma estrutura quadrada plana de Co-N4 em grafeno dopado com nitrogênio (Co-N4 / grafeno). Os pesquisadores poderiam controlar o estado de carga dos átomos de cobalto, introduzindo ricos em elétrons (por exemplo, oxigênio) ou pobre em elétrons (por exemplo, hidrogênio) átomos próximos à estrutura Co-N4. Especificamente, quando os átomos de oxigênio ricos em elétrons estavam perto de Co-N4 (Co-N4 (O)), o estado de carga dos átomos de cobalto diminuiu ligeiramente, tornando-se cobalto pobre em elétrons, que exibiu um aumento significativo na produção eletroquímica de H2O2. Por outro lado, quando átomos de hidrogênio ricos em elétrons estavam perto da estrutura Co-N4, Co-N4 (2H), o átomo de cobalto tornou-se rico em elétrons, tornando-o menos favorável para a produção de H2O2. Crédito:IBS
Pesquisadores do Centro de Pesquisa de Nanopartículas (liderado pelo Diretor Taeghwan Hyeon e Vice-Diretor Yung-Eun Sung) dentro do Instituto de Ciências Básicas (IBS) em colaboração com o Professor Jong Suk Yoo na Universidade de Seul relataram recentemente um eletrocatalisador final que aborda todos das questões que atrapalham H 2 O 2 Produção. Este novo catalisador compreende o Co-N ideal 4 moléculas incorporadas em grafeno dopado com nitrogênio, Co 1 -NG (O), exibe uma reatividade eletrocatalítica recorde, produzindo até 8 vezes mais H 2 O 2 do que pode ser gerado a partir de eletrocatalisadores à base de metal nobre relativamente caro (por exemplo, Pt, Au-Pd, Pt-Hg e assim por diante). Os catalisadores sintetizados são feitos de elemento pelo menos 2.000 vezes mais barato (Co, N, C, e O) do que o catalisador de paládio convencional, e eles são excepcionalmente estáveis sem perda de atividade ao longo de 110 horas de H 2 O 2 Produção.
Normalmente envolvendo diferentes fases de catalisadores (geralmente sólidos) e reagentes (gás), catalisadores heterogêneos são amplamente explorados em muitos processos industriais importantes. Ainda, pensava-se que sua propriedade catalítica era controlada apenas pela mudança dos elementos constituintes. Neste estudo, os pesquisadores verificaram que eles podem induzir uma interação específica em catalisadores heterogêneos por meio do ajuste fino das configurações atômicas locais dos elementos, como visto em catalisadores de enzimas (Fig.2). Diretor Hyeon, o autor correspondente das notas do estudo, "este estudo demonstrou com sucesso a possibilidade de controlar uma propriedade catalítica sintonizando composições atômicas. Esta descoberta pode nos aproximar de descobrir as propriedades fundamentais das atividades catalíticas."
Com base na análise teórica, foi verificado que a densidade de carga de um átomo de cobalto em grafeno dopado com nitrogênio é altamente dependente da estrutura de coordenação em torno do átomo de cobalto. Portanto, os pesquisadores puderam controlar a densidade de elétrons dos átomos de cobalto, introduzindo espécies ricas ou pobres em elétrons, como átomos de oxigênio ou hidrogênio. Quando átomos de oxigênio ricos em elétrons estão próximos, Os átomos de Co tornam-se deficientes em elétrons. Por outro lado, quando um átomo de hidrogênio rico em elétrons está próximo, a tendência oposta foi encontrada (que geraria átomos de Co ricos em elétrons). Muito interessante, a densidade de elétrons dos átomos de Co foi crítica para o H eletroquímico 2 O 2 Produção.
Resumo da produtividade de H2O2 para vários eletrocatalisadores. 1 kg de catalisador Co1-NG (O) otimizado pode produzir 341,2 kg de H2O2 em 1 dia, que é até 8 vezes maior a quantidade de H2O2 que pode ser produzida pelos eletrocatalisadores de metal nobre de última geração. Crédito:IBS
Próximo, os pesquisadores projetaram a estrutura atômica ideal de cobalto (Co 1 -N 4 (O)) por ter todas as condições necessárias, como a seleção precisa do elemento, temperatura de síntese e várias condições experimentais encontradas. Combinando simulações teóricas e tecnologias de síntese de nanomateriais, os pesquisadores conseguiram controlar a propriedade catalítica na precisão atômica. Com átomos de Co pobres em elétrons (Co 1 -NG (O)), eles foram capazes de produzir H 2 O 2 com atividade e estabilidade significativamente altas, ultrapassando em muito os catalisadores de metal nobre de última geração. Por outro lado, Os átomos de Co ricos em elétrons exibiram uma alta reatividade para a reação de redução de oxigênio de 4 elétrons para a formação de H2O, o que pode ser útil para aplicações em células de combustível.
Surpreendentemente, 341,2 kg de H 2 O 2 pode ser produzido dentro de 1 dia em temperatura ambiente e pressão atmosférica usando 1 kg de catalisador Co1-NG (O). Esta quantidade de H 2 O 2 é até 8 vezes maior a quantidade de H 2 O 2 produzido pelos catalisadores de metal nobre de última geração (Fig.3). Co 1 -N 4 (O)) é um catalisador que permite baixo custo, eficiente, e produção ecológica de H 2 O 2 .
Professor Sung, o autor correspondente diz, "Pela primeira vez, descobrimos que a propriedade catalítica de catalisadores heterogêneos pode ser ajustada com precisão atômica. Este resultado sem precedentes nos ajudará a entender aspectos desconhecidos anteriores da eletroquímica H 2 O 2 Produção. Com este conhecimento, poderíamos projetar um catalisador escalável que seja inteiramente composto de elementos abundantes na terra (Co, N, C, e O). "
O estudo é publicado em Materiais da Natureza .
