Tóm tắt

H₂được coi là một trong những nhiên liệu quan trọng nhất trong xã hội "ròng không có carbon" trong tương lai và được gọi là nước (H₂o) TO H₂là vô cùng quan trọng Tuy nhiên, các chất điện phân ngày nay sử dụng kim loại quý, làm cho chúng đắt tiền và điều cần thiết là phát triển chất xúc tác thể hiện hoạt động cao với số lượng nhỏ hơn

Một nhóm nghiên cứu bao gồm Giáo sư Negishi Yuichi của Viện kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học Vật liệu của Đại học Tohoku Kiểm soát cấu trúc bề mặt của các nanocluster kim loại siêu mịn với kích thước hạt khoảng 1nm Cụ thể, chúng tôi đã thiết lập một phương pháp tổng hợp có thể kiểm soát cấu trúc bề mặt của các hạt kim loại mịn với kích thước hạt khoảng 1nm và bằng cách áp dụng các vật liệu nano mới cho các chất điện phân, chúng tôi đã đạt được hydro (H₂) Cải thiện thành công hoạt động xúc tác của sản phẩm

Điều này dẫn đến tối đa năm lần h₂đạt được thành công hoạt động xúc tác hình thành Nghiên cứu này dự kiến ​​sẽ cho phép tăng thêm kích hoạt các nanocluster kim loại có thể được kiểm soát ở cấp độ nguyên tử, và sẽ đẩy nhanh việc xây dựng một xã hội năng lượng thế hệ tiếp theo

Phát hiện nghiên cứu này được phát hành vào ngày 15 tháng 10 năm 2024Được xuất bản trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳđã được thực hiện

Bối cảnh nghiên cứu

hydro (h₂) có mật độ năng lượng dựa trên khối lượng cao và là sản phẩm phụ trong động cơ pin nhiên liệu (H₂o) Hiện tại H₂, nhưng một phương pháp khác là sử dụng công nghệ điện cực để cung cấp h₂o có thể được tháo rời và sản xuất

Tuy nhiên, chất điện phân hiệu quả và bền nhất hiện đang được sử dụng để thúc đẩy các phản ứng tiến hóa hydro như vậy (HER) là các chất xúc tác được làm từ các kim loại quý đắt tiền như bạch kim (PT) Để chuyển sang một xã hội "ròng Zero carbon", điều cần thiết là phát triển các chất xúc tác phù hợp hơn có hoạt động cao với một lượng nhỏ kim loại được sử dụng

Trong những năm gần đây, các chất xúc tác đã thu hút sự chú ý từ các nanocluster kim loại mịn (NC) với kích thước hạt khoảng 1nm được bảo vệ bởi các phối tử thiolate (SR) có chứa lưu huỳnh Bởi vì NC kim loại là tốt, nó có diện tích bề mặt riêng có thể tham gia vào phản ứng, giúp giảm lượng kim loại được sử dụng khi sử dụng nó làm chất xúc tác Các tính chất của các NC kim loại được bảo vệ SR đã được tìm thấy tương quan với hình học và cấu trúc điện tử của chúng, và pha tạp kim loại không giống nhau^{(Lưu ý 2)}hoặc phản ứng trao đổi phối tử^{(Lưu ý 3)}Người ta đã phát hiện ra rằng các NC hợp kim AUP đã pha tạp với các nguyên tử PT trên các nguyên tử vàng (Au) thể hiện hoạt động cao của cô ấy, và trong nghiên cứu trước đây trong nhóm nghiên cứu này, chúng tôi đã tổng hợp thành công các NC kim loại mới chỉ thay đổi các phối tử được bảo vệ bằng cách trao đổi phối tử từ các NC kim loại được báo cáo trước đây Hoạt động của cô tương tự như báo cáo trước đây và nhóm nghiên cứu tin rằng điều này là do thực tế là cả hai đều có cấu trúc xương tương tự

Nói chung, các phối tử như SR ổn định kim loại NC, nhưng proton (H⁺) khi tiếp cận Để cải thiện hoạt động của cô ấy về các NC kim loại được bảo vệ SR, hãy kiểm soát cấu trúc bề mặt của H⁺nên được thực hiện dễ dàng hơn để truy cập Trong bối cảnh đó, nhóm nghiên cứu đã cố gắng thiết lập một phương pháp để kiểm soát cấu trúc bề mặt trong khi vẫn duy trì độ mịn độc đáo của NC kim loại

Sáng kiến ​​của thời gian này

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tạo thành công hai NC AUP với các cấu trúc hình học và điện tử mới lạ và sử dụng chúng làm chất xúc tác của cô ấy

Cụ thể, là tiền thân [AU₂₄Pt (PET)₁₈]⁰(PET = 2-phenylethanethiolate) đã được chọn và tổng hợp NC được thực hiện bằng cách sử dụng ba phản ứng trao đổi phối tử sau đây

• 1) 98% tbbth tinh khiết (tbbth = 4-tert-Butylbenzenethiol) và được báo cáo trước đây [AU₂₄pt (tbbt)₁₈]⁰đã được tổng hợp (Hình 1A)
• 2) Trao đổi phối tử bằng cách sử dụng độ tinh khiết 97% và [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(TDT)₃]⁰(tdt = sch₂sch₂S) được tổng hợp (Hình 1b)
• 3) 98% độ tinh khiết tbbth và pdth₂(pdth₂= 1,3-Propanedithiol) để thực hiện trao đổi phối tử và [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(PDT)₃]⁰đã được tổng hợp (Hình 1C)

Khi phân tích cấu trúc tinh thể, ba NC kim loại này có cấu trúc lõi tương tự, trong khi cấu trúc chủ yếu của chúng (cấu trúc bề mặt) khác nhau (Hình 2)

truyền thống [AU₂₄pt (tbbt)₁₈]⁰, mới được tổng hợp [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(TDT)₃]⁰và [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(PDT)₃]⁰Chỉ có 12 phối tử TBBT và 6 phối tử TBBT còn lại đã được thay thế bằng ba phối tử TDT hoặc PDT Giảm số lượng phối tử cồng kềnh dự kiến ​​sẽ tạo điều kiện truy cập vào vị trí hoạt động của chất nền phản ứng trong HER, cải thiện hoạt động xúc tác

Do đó, mỗi NC kim loại được hỗ trợ trên carbon đen (CB) và vôn kế quét tuyến tính (LSV)^{(Lưu ý 4)}(Hình 3a) Do đó, hai NC kim loại mới là tiềm năng khởi phát^{(Lưu ý 5)}và cho thấy mật độ hiện tại đã giảm và cô ấy đã được quảng bá Ngoài ra,vsỞ tiềm năng cố định của rhe, [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(TDT)₃]⁰và [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(PDT)₃]⁰là [AU₂₄pt (tbbt)₁₈]⁰(Hình 3B)

Các nghiên cứu trước đây trong nhóm nghiên cứu này đã chỉ ra rằng độ dài của chuỗi alkyl của phối tử được bảo vệ có ảnh hưởng lớn đến hoạt động của cô Đáng chú ý là, mặc dù tất cả các nghiên cứu hiện tại, các NC kim loại mới lạ thể hiện hoạt động cao, mặc dù có một nhóm TBBT phổ biến Về yếu tố này, cô là trang web hoạt động và cô, lõi kim loại⁺Truyền bá là quan trọng Lý thuyết proton nhảy^{(Lưu ý 6)}theo h⁺là các ion hydronium liền kề (H₃O⁺) Do đó, các phân tử nước (H₃O⁺) Tránh nhóm R kỵ nước của phối tử SR⁺Nó phải đến bề mặt lõi nơi xảy ra sự hấp phụ So sánh các bề mặt tiếp xúc với dung môi (bề mặt có thể tiếp xúc với các phân tử dung môi) của mỗi NC kim loại, chúng ta thấy [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(TDT)₃]⁰và [AU₂₄pt (tbbt)₁₂(PDT)₃]⁰Với sự hiện diện của ba TDT hoặc PDT, các nguyên tử AU trong lõi kim loại là [AU₂₄pt (tbbt)₁₈]⁰(Hình 4) Người ta tin rằng khoảng cách giữa cấu trúc ngậm nước và bề mặt lõi kim loại đã giảm đáng kể, tạo điều kiện chuyển proton sang bề mặt lõi kim loại Do đó, h⁺H⁺đã được thăng chức, và cô ấy đã được tăng tốc

Như đã đề cập ở trên, nhóm nghiên cứu này đã thiết lập một phương pháp tổng hợp để kiểm soát cấu trúc bề mặt của các NC kim loại và các NC kim loại mới thu được bằng phương pháp này đạt được hoạt động cao hơn 3,5 và 4,9 lần, như một chất điện phân, so với cấu trúc bề mặt thông thường H⁺

Phát triển trong tương lai

Metal NC có thể được áp dụng không chỉ cho cô ấy, mà còn cho nhiều phản ứng xúc tác, bao gồm các phản ứng khử oxy và phản ứng giảm carbon dioxide Bằng cách kết hợp phương pháp này với các doping kim loại khác nhau như palladi và đồng, người ta hy vọng rằng một loạt các vật liệu chức năng mới sẽ có thể, và nó sẽ góp phần tạo ra một xã hội năng lượng thế hệ tiếp theo

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được thực hiện với các khoản tài trợ từ Hiệp hội Thúc đẩy kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học và Công nghệ Nhật Bản (JP24K01459, JP23H00289, JP22K19012)

Thuật ngữ

Lưu ý 1 Các nanocluster kim loại (NC)
Các hạt mịn được tạo thành từ nhiều đến hàng trăm nguyên tử kim loại

Lưu ý 2 Doping kim loại không giống nhau
Một lượng nhỏ nguyên tử kim loại không giống nhau được thêm vào một hợp chất kim loại đơn hoặc thay thế một số nguyên tử kim loại bằng một nguyên tử kim loại không giống nhau

Lưu ý 3 Phản ứng trao đổi phối tử
Một phản ứng trong đó các phối tử cấu thành được thay thế bằng cách thêm một lượng dư của phối tử khác vào phối tử bảo vệ bề mặt của NC

Lưu ý 4 Voltammetry quét tuyến tính (LSV)
Một kỹ thuật trong các phép đo điện hóa liên tục thay đổi điện thế điện cực và đo giá trị dòng chảy

Lưu ý 5 Tiềm năng khởi phát
Tiềm năng mà đường cong dải lý tưởng cho một phản ứng bắt đầu hình thành, hoặc tiềm năng mà dòng điện bắt đầu chảy

Lưu ý 6 Lý thuyết nhảy proton
Một cơ chế dẫn trong đó các ion hydro (proton) nhanh chóng di chuyển sang các phân tử nước liền kề thông qua các liên kết hydro

Thông tin bài viết

Tiêu đề

Chính xác về mặt nguyên tử Au₂₄pt (thiolate)₁₂(dithiolate)₃Nanocluster với phản ứng tiến hóa hydro điện cực tuyệt vời

tác giả

Sera Miyu¹, Sakiat Hossain^2,*, Yoshikawa Sakura¹, Takemae Hananan¹, Ikeda Ayaka¹, Tanaka Tomoya¹, Kosaka Taiga¹, Niibori Yoshiki², Kawawaki Tokuhisa^2,3, Negishi Yuichi^2,4,*

& AST; Tác giả có trách nhiệm: Giáo sư Negishi Yuichi, Viện kèo nhà cái tỷ lệ cá cược học Vật liệu đa phương thức, Đại học Tohoku
121989_122046

Tạp chí đã xuất bản

Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ

doi

101021/jacs4c10868