Vědci vytvořili superúčinné iridiové nanoklastry: Klíč k levnějšímu zelenému vodíku

Mezinárodní výzkumný tým z univerzit v Japonsku, Spojených státech a Austrálii objevil novou, mimořádně jednoduchou metodu pro přesnou syntézu extrémně malých iridiových nanoklastrů v běžném vzduchu. Tento úkol byl dříve považován za velmi náročný.

Mezinárodní výzkumný tým z univerzit v Japonsku, Spojených státech a Austrálii objevil novou, mimořádně jednoduchou metodu pro přesnou syntézu extrémně malých iridiových nanoklastrů v běžném vzduchu. Tento úkol byl dříve považován za velmi náročný. Nově vytvořené 15atomové iridiové nanoklastry (Ir15 NCs) nejenže překonávají konvenční komerční iridiové katalyzátory 1,5krát ve své hmotnostní aktivitě, ale také si udržují stabilní provozní stálost bez degradace po dobu více než 20 hodin.

Tento průlom by mohl výrazně zlepšit výrobu zeleného vodíku, který je považován za ultimativní čisté palivo. Reakce vývoje kyslíku (OER), klíčová pro výrobu zeleného vodíku elektrolýzou vody, vyžaduje značné množství energie. Navíc probíhá ve vysoce korozivním, silně kyselém prostředí, kde je iridium (Ir) prakticky jediným vzácným a drahým katalyzátorem schopným takové podmínky vydržet. Snížení množství použitého iridia při maximalizaci jeho reakční aktivity se proto stalo naléhavým globálním cílem pro široké komerční využití systémů elektrolýzy vody.

Jedním ze způsobů, jak snížit spotřebu iridia, je vytváření atomárně přesných kovových nanoklastrů, což jsou drobné shluky kovových atomů. Zmenšení kovových částic na přibližně 1nanometrové nanoklastry exponenciálně zvyšuje jejich specifický povrch a aktivní místa, což umožňuje snížit množství iridia na absolutní minimum. Problémem však bylo, že iridiové nanoklastry, stejně jako mnoho jiných kovových nanoklastrů, se při vystavení vzduchu oxidují a stávají se nestabilními. Výzkumný tým tento problém překonal kombinací polyolové redukční metody s ethylenglykolem a techniky výměny ligandů. Strategickým zapouzdřením jádra iridiových atomů dvěma odlišnými typy ochranných molekul – oxidem uhelnatým (CO) a trifenylfosfinem (PPh3) – se jim podařilo izolovat atomárně přesné 15atomové iridiové nanoklastry, které zůstávají vysoce stabilní a odolné vůči oxidaci, i když jsou syntetizovány zcela na otevřeném vzduchu. Tyto syntetizované Ir15 NCs byly následně účinně dispergovány na nosič z uhlíkové černi, čímž vznikl vysoce výkonný pevný katalyzátor s průměrnou velikostí částic pouhých 0,9 nm. Pokročilé analýzy odhalily, že ultra-miniaturizace způsobila, že iridiové částice zaujaly ideální „kationtový stav“ (stav s mírným nedostatkem elektronů), který usnadňuje vysoce účinnou adsorpci a reakci meziproduktů a podporuje mechanismus oxidace mřížkového kyslíku.

Vědci očekávají, že tyto poznatky představují nový milník ve výzkumu kovových nanoklastrů a zeleného vodíku. Mohou pomoci při vytváření nákladově efektivních a vysoce výkonných kovových nanoklastrů, které přispějí k řešení naléhavých globálních energetických a environmentálních výzev.