กระโดดเข้าหาตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรเจนสีเขียวด้วยแผ่นนาโนเพื่อขยับแกน

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระดับนาโนทำให้ความเร็วของตัวเร่งปฏิกิริยาและความเสถียรเพิ่มขึ้นอย่างมากในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่สะอาด

เครดิตภาพ: Litvinova Oxana/Shutterstock.com

การศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ใน วัสดุและอินเทอร์เฟซ นำเสนอกลยุทธ์ใหม่เพื่อปรับปรุงการเร่งปฏิกิริยาของปฏิกิริยาวิวัฒนาการออกซิเจน (OER) ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียว

นักวิจัยได้เปลี่ยน NiCoMoSeO ด้วยการเปลี่ยนโครงสร้างนาโนในระดับอะตอม_{เอ็กซ์} แผ่นนาโนเป็นแท่งนาโน ซึ่งช่วยปรับปรุงทั้งกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาและความเสถียรในระยะยาวอย่างมีนัยสำคัญ

ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติระดับนาโนถือเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการแยกน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะที่เป็นด่าง ซึ่งประสิทธิภาพ OER มักเป็นปัญหาคอขวด แผ่นนาโนสองมิติ (2D) ให้พื้นที่ผิวขนาดใหญ่และบริเวณที่ทำงาน ในขณะที่แท่งนาโนมิติเดียว (1D) ให้การขนส่งประจุที่ดีขึ้น

ความสามารถในการสลับระหว่างสัณฐานวิทยาเหล่านี้สามารถปลดล็อกประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้นได้ แต่ผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงต่อโครงสร้างและฟังก์ชันนี้ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างสมบูรณ์

การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาขึ้นอยู่กับเวลา

ทีมงานสังเคราะห์อนุภาคนาโนซีลีเนียม (~ 37.5 นาโนเมตร) เป็นแม่แบบบูชายัญและใช้ปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนกัลวานิกที่อุณหภูมิ 70 °C เพื่อสร้าง NiCoMoSeO_{เอ็กซ์} แผ่นนาโน โดยการขยายเวลาปฏิกิริยาจากสามเป็น 24 ชั่วโมง อนุภาคนาโนจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นแท่งนาโนที่สม่ำเสมอ

การถ่ายภาพ STEM และ TEM เผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงจากแผ่นอสัณฐานที่มีรอยย่นไปเป็นโครงสร้างคล้ายแท่งที่มีผลึกสูง

การวิเคราะห์องค์ประกอบยืนยันว่า Ni, Co, Mo, Se และ O มีการกระจายเท่าๆ กันในแท่งนาโน การเปลี่ยนแปลงยังนำไปสู่การเพิ่มปริมาณออกซิเจนและการเปลี่ยนแปลงของสถานะออกซิเดชัน ตามที่ XPS เปิดเผย ซึ่งบ่งชี้ถึงวิวัฒนาการทางเคมีและโครงสร้าง

ต้องการทราบรายละเอียดทั้งหมดหรือไม่? ดาวน์โหลด PDF ของคุณที่นี่!

แข็งแกร่งขึ้น เร็วขึ้น และมีเสถียรภาพมากขึ้น

การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยานี้มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพการทำงาน เมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นนาโนแล้ว แท่งนาโนมีศักยภาพสูงเกินไปที่ 10 mA/ซม. ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ²ลดลงจากประมาณ 383 mV เป็น 260 mV ซึ่งบ่งชี้ถึงประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้น

สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์อิมพีแดนซ์เคมีไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าความต้านทานการถ่ายโอนประจุลดลงจากประมาณ 13.26 เป็น 7.15 Ω cm²สะท้อนถึงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้น

แท่งนาโนก็มีความทนทานมากกว่าเช่นกัน การทดสอบความเสถียรแสดงอัตราการย่อยสลายขั้นต่ำเพียง 1.468 mV/h ที่ 300 mA/cm² นานกว่า 200 ชั่วโมง ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าอนุภาคนาโนที่แสดงความผันผวนของโครงสร้างภายใต้สภาวะที่คล้ายคลึงกัน

บนเว็บไซต์ สเปกโทรสโกปี ATR-SEIRAS ให้เบาะแสเพิ่มเติมเกี่ยวกับกิจกรรมที่เพิ่มขึ้น แท่งนาโนแสดงการดูดซับไฮดรอกซิล (OH) ที่แข็งแกร่งขึ้นเนื่องจากมีกลุ่ม OH ที่มีอยู่มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ศักยภาพต่ำกว่า 1.4 V ปฏิกิริยานี้ตั้งสมมติฐานว่าจะมีบทบาทสำคัญในการเร่งกระบวนการ OER

ที่สำคัญ การมีอยู่ของสายพันธุ์โมลิบดีนัม (Mo) เกรดต่ำช่วยปกป้องโครงสร้างโดยการจำกัดการชะล้างซีลีเนียม (Se) ซึ่งสนับสนุนเสถียรภาพในระยะยาวเพิ่มเติม

สู่การออกแบบเครื่องฟอกไอเสียเชิงเร่งปฏิกิริยาที่ชาญฉลาดยิ่งขึ้น

งานนี้เน้นย้ำถึงพลังของวิศวกรรมในระดับนาโน ไม่เพียงแต่ปรับปรุงองค์ประกอบ แต่ยังคิดใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างทั้งหมดอีกด้วย การเปลี่ยนจากรูปแบบ 2D เป็น 1D จะสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่เป็นระเบียบมากขึ้นสำหรับ OER ที่เป็นด่าง

ในขณะที่อุตสาหกรรมพยายามที่จะขยายขนาดเทคโนโลยีไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การค้นพบเหล่านี้สามารถช่วยออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยไฟฟ้ารุ่นต่อไปได้ การวิจัยในอนาคตอาจตรวจสอบว่าการปรับแต่งทางสัณฐานวิทยาที่คล้ายคลึงกันสามารถปรับปรุงระบบตัวเร่งปฏิกิริยาหรือกระบวนการไฟฟ้าเคมีอื่น ๆ ได้หรือไม่

การอ้างอิงนิตยสาร

หลัวเจ และคณะ (2025). การเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของ NiCoMoSeOx จากแผ่นนาโนไปเป็นแท่งนาโนเพื่อเพิ่มวิวัฒนาการของออกซิเจน ส่วนต่อประสานวัสดุ2(4), 375–387. ดอย: 10.53941/mi.2025.100029,