ทีมวิจัยของศาสตราจารย์เซียว เสวียจาง และศาสตราจารย์เฉิน ลี่ซิน จากมหาวิทยาลัยเจ้อเจียง ร่วมกับหน่วยงานที่เกี่ยวข้องจากมหาวิทยาลัยซุนยัตเซ็น ได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยล่าสุดเรื่อง "Rare-Earth-Induced Charge Polarization in Medium-Entropy Alloy Driving Fast Hydrogen Generation" ในวารสาร Advanced Functional Materials ทีมวิจัยได้เสนอกลยุทธ์ "การทำให้เกิดขั้วประจุด้วยธาตุหายาก" เพื่อออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะผสมเอนโทรปีปานกลางประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพจากปฏิกิริยาแอลกอฮอล์ysis ของแอมโมเนียโบราน (AB) ที่อุณหภูมิห้อง เป็นการเปิดแนวคิดใหม่ในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการประยุกต์ใช้พลังงานไฮโดรเจนในวงกว้าง นักศึกษาปริญญาเอกชู เ เฟย และหวัง จินเจ๋ เป็นผู้เขียนร่วมลำดับแรกของบทความ
ภูมิหลังการวิจัยแสดงให้เห็นว่าแอมโมเนียโบราน (NH3BH3, AB) ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีปริมาณไฮโดรเจนสูง มีความหนาแน่นการเก็บไฮโดรเจน 19.6% โดยน้ำหนัก และมีความเสถียรต่อสิ่งแวดล้อมที่ดี จึงเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการเก็บและผลิตไฮโดรเจน การผลิตไฮโดรเจนโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจาก AB และเมทานอลสามารถดำเนินการที่อุณหภูมิห้องได้โดยไม่เกิดแอมโมเนียที่เป็นอันตราย แสดงถึงศักยภาพในการเป็นแหล่งไฮโดรเจนสำหรับยานพาหนะเซลล์เชื้อเพลิง ในขั้นตอนเหล่านี้ การดึงไฮโดรเจนจากเมทานอลเป็นขั้นตอนกำหนดอัตรา ซึ่งจำเป็นต้องพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีกิจกรรมสูงและมีความเสถียรเพื่อส่งเสริมการสลายตัวของเมทานอล การศึกษาปัจจุบันมักใช้ศูนย์กลางแถบ-d เพื่อประเมินความสามารถในการดูดซับของตัวเร่งปฏิกิริยา แต่เนื่องจากการขาดความชัดเจนในการแยกแยะระหว่างขั้นตอน "การดูดซับ-การกระตุ้น" ในการสลายตัวของเมทานอล ความเข้าใจในกลไกการเร่งปฏิกิริยาจึงไม่เพียงพอ ส่งผลให้การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาประสิทธิภาพสูงถูกจำกัด
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยได้เสนอกลยุทธ์ "การทำให้เกิดขั้วประจุด้วยธาตุหายาก" โดยนำธาตุหายาก La ซึ่งมีความสามารถในการให้อิเล็กตรอนสูง มาใส่ในระบบโลหะผสมเอนโทรปีปานกลาง CuCoNi (MEA) เพื่อควบคุมการกระจายประจุระหว่างอะตอม และบรรลุการเสริมสร้างแบบประสานงานของ "การดูดซับ-การกระตุ้น" การศึกษานี้คำนวณประจุอะตอมเฉลี่ยของระบบ CuCoNiX-MEA (X=V, Cr และธาตุอื่นอีกหกชนิด) และคัดเลือก La เป็นองค์ประกอบเจือที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งสร้างความแตกต่างของประจุอย่างมีนัยสำคัญกับ Cu/Co/Ni เป็นรากฐานสำหรับการทำงานประสานกันของ "การดูดซับ-การกระตุ้น"
ทีมวิจัยสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยา CuCoNiLa-MEA เ เฟสเดียวโดยใช้วิธีคาร์โบเทอร์มัล ริดักชัน และยืนยันผ่านการตรวจสอบลักษณะด้วยเทคนิค XRD, TEM และอื่น ๆ ว่าว่ามีการละลายของอะตอม La สำเร็จ โดยกำหนดอุณหภูมิสังเคราะห์ที่เหมาะสมที่สุดที่ 690 องศาเซลเซียส การทดสอบสมรรถนะพบว่า ค่า TOF ของอนุภาคนาโน CuCoNiLa-MEA ที่เตรียมที่อุณหภูมิดังกล่าวมีค่า 102 molH2 molcat-1 min-1 และเมื่ออัตราส่วนการเจือ La อยู่ที่ 0.3 ตัวเร่งปฏิกิริยามีสมรรถนะดีที่สุด โดยค่า TOF เพิ่มขึ้นเป็น 147.9 molH2 molcat-1 min-1 ซึ่งสูงกว่ากว่าค่า TOF ของ CuCoNi-MEA ประมาณ 50% การศึกษาจลนศาสตร์พบว่าว่าพลังงานกระตุ้นปรากฏมีค่าต่ำเพียง 31.3 กิโลจูล/โมล ซึ่งต่ำกว่ากว่าค่า 35.6 กิโลจูล/โมล ของ CuCoNi ช่วยลดอุปสรรคจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาลงอย่างมีนัยสำคัญ
การศึกษากลไกพบว่าว่าหลังจากนำ La เข้ามา มีการเกิดโพลาไรเซชันประจุระหว่างอะตอมอย่างชัดเจน โดย La แสดงประจุบวก +1.124 e ในขณะที่ Cu/Co/Ni แสดงประจุลบ La ที่มีประจุบวกจะดูดซับอะตอม O ของเมทานอลในทิศทางที่กำหนด ในขณะที่ Cu/Co/Ni ที่มีประจุลบจะดูดซับและเร่งการแยกตัวของอะตอม H การคำนวณด้วย DFT และการจำลอง AIMD ยืนยันว่าว่าพลังงานการดูดซับเมทานอลที่ตำแหน่ง La มีค่าลบมากกว่า โดยมีการดูดซับที่เร็วและเสถียรกว่า การเชื่อมโยงแบบประสานกันของ "การดูดซับ-กระตุ้น" ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาอย่างมีนัยสำคัญ การศึกษานี้ให้กลยุทธ์แนวทางใหม่สำหรับการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาาผลิตไฮโดรเจนประสิทธิภาพสูงต้นทุนต่ำ ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากต่อการพัฒนาที่ยั่งยืนของพลังงานไฮโดรเจน
