El equipo de investigación del profesor Xiao Xuezhang y el profesor Chen Lixin de la Universidad de Zhejiang, en colaboración con fuerzas relacionadas de la Universidad Sun Yat-sen, publicó sus últimos hallazgos de investigación titulados "Polarización de carga inducida por tierras raras en aleación de entropía media que impulsa una generación rápida de hidrógeno" en Advanced Functional Materials. El equipo propuso una estrategia de "polarización de carga inducida por tierras raras" para diseñar catalizadores de aleación de entropía media de alto rendimiento, logrando una generación eficiente de hidrógeno a partir de la alcoholisis del borano amoniacal (AB) a temperatura ambiente, proporcionando nuevas ideas de diseño catalítico para la aplicación a gran escala de la energía de hidrógeno. Los estudiantes de doctorado Chu Fei y Wang Jinze son los coautores principales del artículo.
El contexto de la investigación muestra que el compuesto de alto contenido en hidrógeno borano amoniacal (NH3BH3, AB) tiene una densidad de almacenamiento de hidrógeno del 19.6% en peso y una buena estabilidad ambiental, lo que lo convierte en un material ideal para el almacenamiento y producción de hidrógeno. La producción catalítica de hidrógeno a partir de AB y metanol puede llevarse a cabo a temperatura ambiente sin la generación de amoníaco nocivo, mostrando potencial como fuente de hidrógeno para vehículos de pila de combustible. Entre estos, la deshidrogenación en el lado del metanol es el paso determinante de la velocidad, requiriendo el desarrollo de catalizadores altamente activos y estables para promover la descomposición del metanol. Los estudios actuales a menudo utilizan el centro de banda d para evaluar la capacidad de adsorción de los catalizadores, pero debido a la falta de una distinción clara entre los dos pasos de "adsorción-activación" en la descomposición del metanol, la comprensión del mecanismo catalítico es insuficiente, limitando el diseño de catalizadores de alto rendimiento.
Para abordar este problema, el equipo propuso una estrategia de "polarización de carga inducida por tierras raras", introduciendo el elemento de tierra rara La con fuerte capacidad de suministro de electrones en el sistema de aleación de entropía media (AEM) CuCoNi, regulando la distribución de carga entre átomos y logrando una mejora sinérgica de la "adsorción-activación". El estudio calculó la carga atómica promedio del sistema CuCoNiX-AEM (X=V, Cr y otros seis elementos), seleccionando a La como el componente de dopado óptimo, que forma una diferencia de carga significativa con Cu/Co/Ni, sentando las bases para la sinergia de la "adsorción-activación".
El equipo sintetizó catalizadores de aleación multielemental CuCoNiLa mediante reducción carbotérmica, y mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión y otras técnicas de caracterización se confirmó la exitosa formación de una solución sólida de átomos de La, determinándose que ６９０ °Ｃ es la temperatura óptima de síntesis．Las pruebas de rendimiento mostraron que el valor de frecuencia de turnover de las nanopartículas de CuCoNiLa preparadas a esta temperatura alcanzó １０２ molH₂ molcat⁻¹ min⁻¹；cuando la proporción de dopaje de La fue ０．３， el catalizador presentó el mejor desempeño, con un valor de frecuencia de turnover que aumentó a １４７．９ molH₂ molcat⁻¹ min⁻¹， aproximadamente un ５０ ％ superior al de CuCoNi．Los estudios cinéticos revelaron que su energía de activación aparente fue tan baja como ３１．３ kJ mol⁻¹， inferior a los ３５．６ kJ mol⁻¹ de CuCoNi， lo que reduce significativamente la barrera cinética de la reacción．
Los estudios de mecanismo revelaron que tras la introducción de La， se produjo una significativa polarización de carga interatómica： La exhibió una carga positiva de ＋１．１２４ e， mientras que Cu， Co y Ni mostraron cargas negativas．El La cargado positivamente adsorbe direccionalmente el átomo de O del metanol， mientras que los Cu／Co／Ni cargados negativamente adsorben y aceleran la disociación de los átomos de H．Los cálculos de teoría funcional de la densidad y las simulaciones de dinámica molecular ab initio confirman que la energía de adsorción de metanol en los sitios de La es más negativa， con una adsorción más rápida y estable．El acoplamiento sinérgico de "adsorción－activación" mejora significativamente la eficiencia catalítica．Este estudio proporciona una estrategia novedosa para el diseño de catalizadores de producción de hidrógeno de alto rendimiento y bajo coste， lo cual es de gran importancia para el desarrollo sostenible de la energía del hidrógeno．
