Чтобы сэкономить энергию для получения водорода, замена медленного электролиза воды реакцией окисления мочевины (UOR) открывает большие перспективы благодаря термодинамически благоприятным условиям электролиза мочевины (0,37 В, термодинамическое напряжение). Дополнительным преимуществом является смягчение проблемы загрязнения карбамидом, поскольку ежегодно в реку сбрасывается около 2200 миллиардов тонн сточных вод, богатых карбамидом. Катализаторы на основе благородных металлов, таких как платина (Pt) и родий (Rh), используются для повышения скорости процесса окисления. Однако эти катализаторы из благородных металлов очень дороги и демонстрируют низкую производительность при длительной эксплуатации.

В последнее время одноатомные катализаторы (SAC) продемонстрировали исключительные характеристики по сравнению с аналогами на основе наноматериалов. Однако низкая загрузка металлом (< 3 мас.%) SACs, которая вызвана склонностью поверхностных атомов к миграции, представляет серьезную проблему для масштабируемого применения.

Исследовательская группа IBS, возглавляемая заместителем директора ЛИ Хеоюнгом из Центра физики интегрированных наноструктур Института фундаментальных наук (IBS), расположенного в Университете Сунгюн-Кьюнван, разработала стратегию для достижения сверхвысокой загрузки отдельных участков атома металла. Это было достигнуто за счет создания поверхностной деформации материала основы, что позволило получить исключительное количество водородного топлива с помощью окисления мочевины.

"Мы использовали метод закалки жидким азотом для создания растягивающей деформации на поверхности оксида кобальта (Co₃O₄). Сверхвысокая скорость охлаждения увеличивает параметр решетки закаленного образца из-за теплового расширения, что приводит к растягивающей деформации на поверхности оксида. Напряженная поверхность Со₃O₄ стабилизированная ~на 200% более высокая загрузка одиночного атома родия (Rh_СВОЙ; 6,6 мас.% насыпной загрузки и 11,6 мас.% поверхностной загрузки) площадок по сравнению с первозданным Co₃O₄ поверхность. Мы обнаружили, что напряженная поверхность может значительно увеличить миграционный энергетический барьер Rh_СВОЙ по сравнению с нетронутой поверхностью, препятствуя их миграции и агломерации", - говорит кандидат наук Ашвани Кумар, первый автор исследования.

"Мы были очень взволнованы, обнаружив, что высокая загрузка Rh_СВОЙ стабилизированный на напряженном Со₃O₄ поверхность продемонстрировала исключительную активность фтора и стабильность как в щелочных, так и в кислых средах, что значительно превосходило коммерческие Pt / C и Rh /C. Об этой стратегии поверхностного натяжения в области мешочков никогда не сообщалось до наших результатов", - отмечает заместитель директора Ли, соответствующий автор исследования. Исследователи также обнаружили, что эта стратегия высокой загрузки одноатомных узлов не ограничивалась только родием. Сверхвысокая загрузка других благородных металлов, таких как платина, иридий и одноатомные узлы на основе рутения, также была стабилизирована с использованием стратегии напряженной поверхности, что обеспечивает основу для более общего применения этого открытия.

Исследовательская группа оценила каталитическую эффективность и рабочее напряжение, необходимое для окисления мочевины, используя этот новый катализатор. Усовершенствованный катализатор (Rh_СВОЙ на натянутом Со₃O₄) требовалось всего 1,28 В по сравнению с обратимым водородным электродом (RHE) для достижения плотности тока 10 мА (миллиампер) на см² электрода, что было ниже, чем у коммерческих Pt и Rh катализаторов, требующих 1,34 и 1,45 В соответственно. Кроме того, катализатор также продемонстрировал долговременную стабильность в течение 100 часов без какого-либо изменения структуры. Группа использовала моделирование по теории функционала плотности, чтобы исследовать происхождение исключительных характеристик нового катализатора, которые, как было обнаружено, обусловлены превосходной адсорбцией мочевины и стабилизацией промежуточных продуктов CO* / NH*. Кроме того, электролиз мочевины экономил на ~ 16,1% больше энергии по сравнению с электролизом воды для получения водорода.

Заместитель директора Ли объясняет: "Это исследование обеспечивает общую стратегию стабилизации высокой загрузки одноатомных сайтов для масштабируемых приложений, что было давней проблемой в области SACs. Кроме того, это исследование приближает нас на шаг к безуглеродной и энергосберегающей водородной экономике. Этот высокоэффективный электрокатализатор окисления мочевины поможет нам преодолеть долгосрочные проблемы, связанные с процессом переработки ископаемого топлива: производить водород высокой чистоты для коммерческого применения по низкой цене и экологически чистым способом".