Les scientifiques de l'IBS et leurs collègues ont récemment signalé un électrocatalyseur ultime qui résout tous les problèmes qui perturbent H 2 O 2 production. Ce nouveau catalyseur comprenant le Co-N optimal 4 molécules incorporées dans du graphène dopé à l'azote, Co 1 -NG(O), présente une réactivité électrocatalytique record, produisant jusqu'à 8 fois plus que la quantité de H 2 O 2 qui peuvent être générés à partir d'électrocatalyseurs à base de métaux nobles plutôt coûteux.

Tout comme nous prenons une douche pour laver la saleté et les autres particules, les semi-conducteurs nécessitent également un processus de nettoyage. Cependant, son nettoyage va à l'extrême pour garantir que même les traces de contaminants "ne laissent aucune trace". Une fois tous les matériaux de fabrication de la puce appliqués sur une plaquette de silicium, un processus de nettoyage strict est effectué pour éliminer les particules résiduelles. Si cette étape de nettoyage et d'élimination des particules de haute pureté se passe mal, les connexions électriques dans la puce sont susceptibles d'en souffrir. Avec des gadgets de plus en plus miniaturisés sur le marché, les normes de pureté de l'industrie électronique atteignent un niveau équivalent à celui de trouver une aiguille dans un désert.

Cela explique pourquoi le peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ), un important produit chimique de nettoyage électronique, est l'une des matières premières chimiques les plus précieuses qui sous-tend l'industrie de la fabrication de puces. Malgré l'importance croissante de H 2 O 2 , son industrie s'est retrouvée avec une méthode énergivore et en plusieurs étapes connue sous le nom de procédé à l'anthraquinone. Il s'agit d'un procédé peu respectueux de l'environnement qui implique l'étape d'hydrogénation à l'aide de catalyseurs au palladium coûteux. Alternativement, H 2 O 2 peut être synthétisé directement à partir de H 2 et ô 2 gaz, bien que la réactivité soit encore très faible et qu'elle nécessite une pression élevée. Une autre méthode écologique consiste à réduire électrochimiquement l'oxygène en H 2 O 2 une voie via 2 électrons. Récemment, électrocatalyseurs à base de métaux nobles (par exemple, Au-Pd, Pt-Hg, et Pd-Hg) ont été démontrés pour montrer H 2 O 2 productivité, bien que des investissements aussi coûteux aient enregistré de faibles rendements qui ne répondent pas aux besoins évolutifs de l'industrie.

Des chercheurs du Center for Nanoparticle Research (dirigé par le directeur Taeghwan Hyeon et le vice-directeur Yung-Eun Sung) au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) en collaboration avec le professeur Jong Suk Yoo de l'Université de Séoul ont récemment rapporté un électrocatalyseur ultime qui répond à tous des problèmes qui entravent H 2 O 2 production. Ce nouveau catalyseur comprenant le Co-N optimal 4 molécules incorporées dans du graphène dopé à l'azote, Co 1 -NG(O), présente une réactivité électrocatalytique record, produisant jusqu'à 8 fois plus de H 2 O 2 qui peuvent être générés à partir d'électrocatalyseurs à base de métaux nobles relativement coûteux (par exemple, pt, Au-Pd, Pt-Hg et ainsi de suite). Les catalyseurs synthétisés sont fabriqués à partir d'élément au moins 2000 fois moins cher (Co, N, C, et O) que le catalyseur au palladium classique, et ils sont exceptionnellement stables sans perte d'activité sur 110 heures de H 2 O 2 production.

Impliquant généralement différentes phases de catalyseurs (généralement solides) et de réactifs (gaz), les catalyseurs hétérogènes sont largement exploités dans de nombreux procédés industriels importants. Toujours, on pensait que leur propriété catalytique n'était contrôlée qu'en changeant les éléments constitutifs. Dans cette étude, les chercheurs ont vérifié qu'ils peuvent induire une interaction spécifique sur des catalyseurs hétérogènes en ajustant les configurations atomiques locales des éléments comme on le voit dans les catalyseurs enzymatiques (Fig.2). Directeur Hyeon, l'auteur correspondant de l'étude note, "Cette étude a démontré avec succès la possibilité de contrôler une propriété catalytique en ajustant les compositions atomiques. Cette découverte pourrait nous rapprocher de la découverte des propriétés fondamentales des activités catalytiques."

Sur la base d'une analyse théorique, il a été vérifié que la densité de charge d'un atome de cobalt sur du graphène dopé à l'azote dépend fortement de la structure de coordination entourant l'atome de cobalt. Par conséquent, les chercheurs ont pu contrôler la densité électronique des atomes de cobalt en introduisant des espèces riches ou pauvres en électrons telles que les atomes d'oxygène ou d'hydrogène. Lorsque des atomes d'oxygène riches en électrons sont à proximité, Les atomes de Co deviennent déficients en électrons. D'autre part, lorsqu'un atome d'hydrogène riche en électrons est à proximité, la tendance inverse a été trouvée (qui générerait des atomes de Co riches en électrons). Très intéressant, la densité électronique des atomes de Co était critique pour le H électrochimique 2 O 2 production.

Prochain, les chercheurs ont conçu la structure atomique optimale du cobalt (Co 1 -N 4 (O)) en ayant toutes les conditions requises telles que la sélection précise de l'élément, température de synthèse et diverses conditions expérimentales réunies. Combinant simulations théoriques et technologies de synthèse de nanomatériaux, les chercheurs ont pu contrôler la propriété catalytique en précision atomique. Avec des atomes de Co pauvres en électrons (Co 1 -NG(O)), ils ont pu produire H 2 O 2 avec une activité et une stabilité significativement élevées, surpassant de loin les catalyseurs de métaux nobles de pointe. Inversement, les atomes de Co riches en électrons présentaient une réactivité élevée pour la réaction de réduction de l'oxygène à 4 électrons à la formation de H2O, ce qui pourrait être utile pour les applications de piles à combustible.

Étonnamment, 341,2 kg de H 2 O 2 peut être produit en 1 jour à température ambiante et pression atmosphérique en utilisant 1 kg de catalyseur Co1-NG(O). Ce montant de H 2 O 2 est jusqu'à 8 fois plus élevée que la quantité de H 2 O 2 produits par les catalyseurs à base de métaux nobles de pointe (Fig.3). Co 1 -N 4 (O)) est un catalyseur qui permet à faible coût, efficace, et production écologique de H 2 O 2 .

Professeur Sung, l'auteur correspondant dit, "Pour la première fois, nous avons découvert que la propriété catalytique des catalyseurs hétérogènes peut être affinée avec une précision atomique. Ce résultat sans précédent nous aidera à comprendre les aspects inconnus précédents de l'électrochimie H 2 O 2 production. Avec cette connaissance, nous pourrions concevoir un catalyseur évolutif entièrement composé d'éléments abondants en terre (Co, N, C, et O)."

L'étude est publiée dans Matériaux naturels .