Khung nano đa kim giúp cải thiện hiệu suất chất xúc tác

Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Phòng thí nghiệm Quốc gia Berkeley và Đại học Wisconsin đã tổng hợp thành công một lớp xúc tác điện hóa có độ bền và hoạt tính cao bằng cách “khai thác” sự phát triển cấu trúc của tinh thể nano lưỡng kim bạch kim và niken (Pt-Ni) rắn thành các cấu trúc giống khung xốp hoặc khung nano. Vật liệu mới này có khả năng tăng cường đáng kể hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử oxy (phản ứng tách một phân tử oxy thành hai ion oxy), điều này rất quan trọng đối với các pin nhiên liệu và các ứng dụng điện hóa tiềm năng khác.

Phương thức tiếp cận để tổng hợp vật liệu này là một cải tiến quan trọng đối với việc tạo ra các chất xúc tác điện hóa có các đặc tính xúc tác vượt trội, giá thành thấp. Cấu trúc mở của các khung nano này có thể giải quyết được một số vấn đề về thiết kế tiêu chuẩn quan trọng đối với các xúc tác điện hóa tiên tiến cấp độ nano, bao gồm, tỷ lệ bề mặt - khối lượng cao, có thể tiếp cận phân tử bề mặt 3-D và giảm đáng kể việc sử dụng kim loại quý. Các nhà nghiên cứu lạc quan rằng phương thức tiếp cận này có thể dễ dàng áp dụng với các chất xúc tác đa kim khác và giảm đáng kể chi phí sản xuất vật liệu xúc tác.

Vật liệu này được tổng hợp bằng cách “khai thác” sự phát triển cấu trúc của tinh thể nano lưỡng kim Pt-Ni thành các cấu trúc giống khung với cấu trúc vỏ Pt tự sắp xếp trên các bề mặt bên trong và bên ngoài. Các vật liệu ban đầu, hạt nanno tinh thể PtNi3, được chuyển hóa trong dung dịch, nhiệt độ ôn hòa thành các khung nano Pt3Ni với các bề mặt có khả năng tiếp cận phân tử bề mặt ba chiều (3-D). Các cạnh giàu Pt của các hạt nano Pt3Ni ban đầu được “bảo vệ” trong các khung nano Pt3Ni. Cả bề mặt bên trong và bên ngoài của cấu trúc khung mở này bao gồm cấu trúc vỏ giàu Pt đều bộc lộ khả năng tăng cường hoạt tính phản ứng khử oxy.

Các chất xúc tác khung nano Pt3Ni cho thấy tổng hoạt tính xúc tác tăng hơn 36 lần và hoạt tính cụ thể tăng 22 lần đối với các phản ứng khử oxy so với các chất xúc tác Pt dựa trên cacbon (Pt/C) thế hệ mới khi tiếp xúc lâu dài với các điều kiện phản ứng.

Nghiên cứu này là một bước tiến lớn trong việc phát triển chất xúc tác điện hóa có hiệu quả hơn cho các phản ứng phân tách nước và tạo nhiên liệu. Các cấu trúc xúc tác điện hóa này được áp dụng cho các phản ứng tỏa khí hydro (HER), đây là phản ứng điện phân chủ yếu trong điện phân nước - kiềm, tạo ra hydro bằng việc phân tách nước. Hoạt tính HER đối với bề mặt khung nano vỏ Pt3Ni-Pt tinh thể cao được tăng lên một cấp so với Pt/C.

Việc sử dụng cấu trúc phát triển tự nhiên của hạt nano lưỡng kim từ khối đa diện rắn đến khung nano rỗng với kích cỡ, cấu trúc và thành phần bề mặt đã được điều chỉnh sẽ dễ dàng áp dụng cho các chất xúc tác đa kim loại khác.