Des expériences utilisant des rayons X sur deux lignes de lumière au synchrotron australien ont permis de caractériser une nouvelle classe de catalyseurs à atome unique (SAC) supportés sur des nanotubes de carbone qui présentent une réduction électrochimique exceptionnelle du CO2 en CO. Une charge pondérale de 20 % en poids pour la nouvelle classe , nanotubes de carbone dopés à l'azote à un seul atome de nickel (NiSA-N-CNT), est considérée comme la charge de métal la plus élevée pour les SAC signalée à ce jour.

Atomes simples de nickel, le cobalt et le fer ont été supportés sur des nanotubes de carbone dopés à l'azote via une méthode de pyrolyse en un seul pot et comparés dans l'étude.

Une grande collaboration internationale, dirigé par le professeur San Ping Jiang, Directeur adjoint de l'Institut de technologie des carburants et de l'énergie de l'Université de technologie de Curtin et associés du Département de génie chimique, ont développé un nouveau procédé de synthèse et de développement de nanotubes de carbone dopés à l'azote avec un ligand nickel qui démontrent une activité catalytique élevée.

L'étude a été publiée dans Matériaux avancés et présenté sur la couverture intérieure de la publication.

Dr Bernt Johannessen, le scientifique des instruments sur la ligne de faisceau de spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) du synchrotron australien était un co-auteur de l'article, qui comprenait également des chercheurs principaux de l'Université de technologie de Curtin et des collaborateurs de l'Université d'Australie occidentale, Institut de recherche sur les métaux (Chine), Laboratoire national d'Oak Ridge (États-Unis), Université de la Sunshine Coast, Université du Queensland, Université Tsinghua (Chine) et Université King Abdulaziz (Arabie saoudite). Le soutien technique et les conseils sur les expériences de spectroscopie des rayons X mous ont été fournis par le scientifique australien des instruments Synchrotron, le Dr Bruce Cowie.

"L'idée derrière l'approche est que les plus petites particules que vous avez, plus ils sont catalytiquement actifs. Lorsque vous passez à une taille de nanoparticule, vous voyez augmenter l'activité catalytique. Et si tu pousses ça à l'extrême, vous regardez des atomes métalliques simples ancrés sur un substrat de support de carbone, " a déclaré Johannessen.

"Parce que les atomes de surface se comportent différemment des atomes en vrac ou d'autres, XAS a été utilisé pour vérifier qu'il y avait en fait des atomes uniques et la position de ces atomes de nickel par rapport aux autres atomes. Nous avons pu déterminer les longueurs de liaison et les nombres de coordination."

L'ajout ou la soustraction d'atomes isolés d'une particule ouvre la possibilité d'ajuster ses propriétés.

Le défi a été de garder les atomes de métal, qui fournissent une forte liaison de support métallique, d'interagir les uns avec les autres et de s'agréger en raison de leur énergie de surface plus élevée.

Les chercheurs ont surmonté ce problème en développant une méthode en plusieurs étapes pour synthétiser des atomes de nickel dispersés atomiquement sur des NTC dopés à l'azote, qui comprenait la décomposition de la solution de précurseur à haute température.

Les mesures de spectroscopie d'absorption des rayons X près de la structure de bord (XANES) au synchrotron australien ont fourni des preuves à l'appui de l'efficacité électrochimique des NiSA-N-CNT. Les résultats suggèrent que les espèces Ni-N sont les centres actifs de la réaction de réduction du CO2 en CO. Les atomes de nickel uniques sont maintenus par la coordination des atomes d'azote dans la structure des nanotubes de carbone dopé N, ce qui aide à stabiliser la structure contre l'agrégation métallique.

Les NiSA-N-CNT ont également démontré une fréquence de renouvellement plus élevée que les autres CNT dopés à l'azote. Les données ont confirmé qu'il n'y avait pas d'agrégation ou de décomposition évidente du nickel et ont également révélé la durabilité structurelle des NiSA-N-CNT en tant qu'électrocatalyseurs.

Un certain nombre d'autres techniques et simulations ont été entreprises dans le cadre de la caractérisation des matériaux et pour confirmer la réduction de la réaction de CO2.

La nouvelle classe de SAC a un potentiel énorme avec des applications prometteuses dans les domaines de l'électrocatalyse et des catalyseurs pour la conversion d'énergie ainsi que d'autres utilisations.