Filléres katalizátor a hidrogénfejlesztéshez? – Meglepetést hozott az MTA EK lendületes alapkutatása

Ritkán adódik olyan lehetőség, hogy egy kémiai reakciót az egyedi atomok szintjén, folyamatában figyelhetünk meg, mivel a kémiai reakciók általában túl gyorsak és rendezetlenek ehhez. A magyar kutatóknak most mégis éppen ezt sikerült megvalósítaniuk. Megfigyelték, amint az atomi vékony, „kétdimenziós” molibdén diszulfid (2D MoS₂) kristályokba egyedi oxigén atomok épülnek be, egyenként cserélve le a kristályrács kénatomjait. Emellett feltárták a megfigyelt reakció egy nagyon ígéretes alkalmazási lehetőségét is. Kimutatták ugyanis, hogy a 2D anyagba beépülő egyedi oxigénatomok meglepően hatékonyan katalizálják a hidrogénfejlesztést, ahogy azt a Nature Chemistry folyóiratban most megjelent cikkükben részletesen leírják.

Jobb katalizátor kerestetik

A víz elektrokémiai bontásának mindmáig legjobb katalizátora, a platina, túl drága az ipari léptékű alkalmazásokhoz. A költségek csökkentésére két stratégiát is aktívan vizsgálnak a kutatók. Egyrészt olyan alternatív anyagokat keresnek, amelyek hasonlóan hatékony katalizátorok, de jóval olcsóbbak, másrészt csökkenteni próbálják a katalizátorszemcsék méretét, így a felhasznált anyag mennyiségét. A méretcsökkentés azért hatékony, mert a katalizátorszemcséknek csak a felülete aktív, így a méretük csökkentésével a passzív térfogat aránya nagyságrendekkel csökkenthető az aktív felületek javára.

Az MTA Energiatudományi Kutatóközpontban Tapasztó Levente vezetésével működő 2D anyagok kutatására fókuszáló Lendület és ERC kutatócsoport most ezen a területen ért el áttörést, méghozzá úgy, hogy a két megközelítést ötvözték. Platina helyett a jóval olcsóbb molibdén-diszulfidot és annak is az atomi vékony, úgynevezett kétdimenziós (2D) változatát alkalmazták. A molibdén-diszulfid már régóta a platina egyik lehetséges alternatívájának számít a hidrogénfejlesztés katalizálására, azonban eddig nem sikerült a platinát megközelítő aktivitást elérni ezzel az anyaggal. Ennek elsődleges oka, hogy a MoS₂ kristályok esetében nem a teljes felületük, csak az élek aktívak. A magyar kutatók atomi szinten voltak képesek módosítani a MoS₂ kristályok felületét, így aktiválva azt. Ehhez a MoS₂ kristály kénatomjai közül néhányat oxigénatomra cseréltek ki egy speciális oxidációs reakció segítségével.

Amikor megéri a fióknak dolgozni

Ez a reakció akár levegőn is végbemegy – igaz, csak több hónapos időskálán. Amikor egy fiókban pihenő mintát több hónap után ismét megvizsgáltak, felfigyeltek rá, hogy a szerkezetében az első vizsgálat óta atomi léptékű változások mentek végbe. Részletes vizsgálatokkal sikerült bizonyítaniuk, hogy nem másról van szó, mint hogy a levegő oxigénje lassan, egyenkét lecserélte a MoS₂ kristály kénatomjait. Korábban a MoS₂-nek ez az oxidációs reakciója nem volt ismert.

A felfedezést a kutatócsoport két egyedülálló eredménye tette lehetővé. Egyrészt egy általuk kifejlesztett módszerrel képesek a MoS₂-nek akár, milliméteres átmérőjű 2D kristályait előállítani, másrészt egy speciális mérési konfigurációban sikerül elérni a hibák atomi szerkezetének minden korábbinál részletesebb felbontását pásztázó alagútmikroszkóp segítségével.

A 2D molibdén-diszulfid kristályok oxigénhelyettesítési reakciójának lépései, illetve a hidrogénfejlesztés katalizálásának sematikus vázlata Forrás: MTA EK MFA/Tapasztó Levente

Az igazi meglepetés azonban nem is annyira ez az új reakció volt, hanem az, hogy a kénatomok részleges oxigénre cserélésével létrejövő 2D kristály a hidrogénfejlesztés sokkal jobb katalizátorának bizonyult, mint az eredeti tiszta anyag. A kutatóknak sikerül azonosítaniuk, hogy a kristályok megnövekedett katalitikus aktivitásáért ezek az egyedi oxigénatomok felelősek. Megmutatták, hogy az oxigénatomok kénatomokhoz képest nagyobb elektronegativitása az oxigénatomokra lokalizált negatív többlettöltést eredményez, ez pedig fontos szerepet játszik a katalitikus folyamatban. Természetesen szabad formában az oxigénatomok nem alkalmasak a hidrogénfejlesztés katalizálására, azonban egy 2D kristályba beágyazva már nagyon is hatékony katalizátorok lehetnek. Egyedi oxigénatomoknál kisebb és olcsóbb katalizátort pedig nehéz lenne elképzelni.

A hír alapjául a következő, a Nature Chemistry című folyóiratban megjelent publikáció szolgált: Pető János, Ollár Tamás, Vancsó Péter, Zakhar Popov, Magda Gábor Zsolt, Dobrik Gergely, Chanyong Hwang, Pavel B Sorokin, Tapasztó Levente: „Spontaneous doping of the basal plane of MoS2 single layers, through oxygen substitution under ambient conditions”