15 atomlu iridyum nanokümeleri 20 saat boyunca stabil kalır ve ticari katalizörlerden daha iyi performans gösterir

Tohoku Üniversitesi, Tokyo Bilim Üniversitesi, Vanderbilt Üniversitesi ve Adelaide Üniversitesi’nden uluslararası bir araştırma ekibi, ortam havasındaki son derece küçük iridyum nanokümelerini hassas bir şekilde sentezlemek için yeni ve son derece basit bir yöntem keşfetti. Böyle bir başarının daha önce oldukça zorlu olduğu düşünülüyordu. Buna ek olarak nanokümeler, kütle aktivitesinde geleneksel, ticari olarak temin edilebilen iridyum katalizörlerinden 1,5 kat daha iyi performans gösterirken, 20 saatten fazla bir süre boyunca bozulma olmadan sürdürülebilir operasyonel stabiliteyi koruyor.

Bu atılım, nihai temiz yakıt olarak kabul edilen yeşil hidrojenin daha iyi üretimiyle sonuçlanabilir. Bulgular şu adreste yayınlandı: Amerikan Kimya Derneği Dergisi.

Oksijen Evrimi Reaksiyonu (OER) yeşil hidrojen oluşturabilir, ancak reaksiyon o kadar fazla enerji gerektirir ki yeşil hidrojeni verimli bir şekilde üretmek büyük bir zorluktur. Ayrıca reaksiyon son derece aşındırıcı, güçlü asidik bir ortamda gerçekleştiği için iridyum (Ir), buna dayanabilen neredeyse tek nadir ve pahalı katalizördür.

Sonuç olarak, reaksiyon aktivitesini en üst düzeye çıkarırken kullanılan iridyum miktarını azaltmak, su elektroliz sistemlerinin yaygın şekilde ticarileştirilmesi için acil bir küresel hedef haline geldi.

Kullanılan iridyum miktarını azaltmanın bir yolu, metal atomlarının küçük kümeleri olan atomik olarak hassas metal nanokümeleri (NC’ler) oluşturmaktır.

Metal parçacıklarının ~1 nm’lik nanokümelere küçültülmesi, bunların spesifik yüzey alanını ve aktif bölgelerini katlanarak artırırken, iridyum miktarının mutlak minimuma indirilmesine olanak tanır. Bununla birlikte, yüzey alanını arttırmanın dezavantajı, iridyumun (birçok metal NC gibi) oksitlenmesi ve dolayısıyla havaya maruz kaldığında kararsız hale gelmesidir.

• 
  

• 
  

Sonuç olarak araştırma ekibi, etilen glikol kullanan poliol indirgeme yöntemini ligand değiştirme tekniğiyle birleştiren yeni bir yaklaşım geliştirerek bu engelin üstesinden gelmeye çalıştı.

İridyum atomlarının çekirdeğini iki farklı türde koruyucu molekülle, karbon monoksit (CO) ve trifenilfosfin (PPh) ile stratejik olarak kapsülleyerek₃), atomik olarak hassas, 15 atomlu iridyum nanokümelerini (Ir) başarıyla izole ettiler.₁₅ Tamamen açık havada sentezlendiğinde bile oldukça kararlı ve oksidasyona karşı dirençli kalan NC’ler).

Sentezlenen bu Ir₁₅ NC’ler, yalnızca 0,9 nm’lik ortalama parçacık boyutuna sahip yüksek performanslı bir katı katalizör üretmek için bir karbon siyahı (CB) desteği üzerine etkili bir şekilde dağıtıldı. Elektrokimyasal değerlendirme Ir için belirgin derecede üstün performans ortaya çıkardı₁₅ NC/CB katalizörü.

Gelişmiş analizler, ultra minyatürleştirmenin, iridyum parçacıklarının, ara maddelerin yüksek verimli adsorpsiyonunu ve reaksiyonunu kolaylaştıran ve Kafes Oksijen Oksidasyon Mekanizmasını destekleyen ideal bir “katyonik durumu” (hafif elektron eksikliği olan bir durum) benimsemesine neden olduğunu ortaya çıkardı.

Yuichi Negishi (Tohoku Üniversitesi), “Bu bulguların metal nanoküme ve yeşil hidrojen araştırmalarında yeni bir dönüm noktasına işaret etmesini bekliyoruz; çünkü bu, acil küresel enerji ve çevre sorunlarını çözmek için uygun maliyetli, yüksek performanslı metal nanokümeleri oluşturmamıza yardımcı olabilir” diyor.