Tim penelitian Profesor Xiao Xuezhang dan Profesor Chen Lixin dari Universitas Zhejiang, bekerja sama dengan pihak terkait dari Universitas Sun Yat-sen, mempublikasikan temuan penelitian terbaru mereka berjudul "Polarisasi Muatan yang Diinduksi Logam Tanah Jarang dalam Aloi Entropi Sedang yang Menggerakkan Pembentukan Hidrogen Cepat" dalam *Advanced Functional Materials*. Tim mengusulkan strategi "polarisasi muatan yang diinduksi logam tanah jarang" untuk merancang katalis aloi entropi sedang berkinerja tinggi, mencapai produksi hidrogen efisien dari alkoholisis amonia borana (AB) pada suhu ruang, serta memberikan ide desain katalitik baru untuk aplikasi skala besar energi hidrogen. Mahasiswa doktoral Chu Fei dan Wang Jinze adalah penulis pertama bersama makalah tersebut.
Latar belakang penelitian menunjukkan bahwa senyawa amonia borana (NH3BH3, AB) dengan kandungan hidrogen tinggi memiliki kepadatan penyimpanan hidrogen 19,6 wt% dan stabilitas lingkungan yang baik, menjadikannya material ideal untuk penyimpanan dan produksi hidrogen. Produksi hidrogen katalitik dari AB dan metanol dapat dilakukan pada suhu ruang tanpa menghasilkan amonia berbahaya, menunjukkan potensi sebagai sumber hidrogen untuk kendaraan sel bahan bakar. Di antaranya, dehidrogenasi pada sisi metanol merupakan langkah penentu laju, yang memerlukan pengembangan katalis sangat aktif dan stabil untuk mendorong dekomposisi metanol. Studi saat ini sering menggunakan pusat pita-d untuk mengevaluasi kapasitas adsorpsi katalis, tetapi karena kurangnya pemisahan jelas antara dua langkah "adsorpsi-aktivasi" dalam dekomposisi metanol, pemahaman tentang mekanisme katalitik tidak memadai, sehingga membatasi desain katalis berkinerja tinggi.
Untuk mengatasi masalah ini, tim mengusulkan strategi "polarisasi muatan yang diinduksi logam tanah jarang", memperkenalkan unsur tanah jarang La dengan kemampuan penyediaan elektron kuat ke dalam sistem aloi entropi sedang (AES) CuCoNi, mengatur distribusi muatan antar atom, dan mencapai peningkatan sinergis dari "adsorpsi-aktivasi." Penelitian menghitung muatan atom rata-rata sistem CuCoNiX-AES (X=V, Cr, dan enam unsur lainnya), menyaring La sebagai komponen doping optimal, yang membentuk perbedaan muatan signifikan dengan Cu/Co/Ni, meletakkan dasar untuk sinergi "adsorpsi-aktivasi."
Tim mensintesis katalis MEA CuCoNiLa fase tunggal menggunakan reduksi karbotermal, dan karakterisasi XRD, TEM, serta lainnya mengonfirmasi keberhasilan larutan padat atom La, menetapkan suhu 690°C sebagai suhu sintesis optimal. Uji kinerja menunjukkan bahwa nilai TOF nanopartikel CuCoNiLa-MEA yang disiapkan pada suhu ini mencapai 102 molH2 molkat-1 menit-1; ketika rasio doping La adalah 0,3, katalis berkinerja terbaik, dengan nilai TOF meningkat menjadi 147,9 molH2 molkat-1 menit-1, sekitar 50% lebih tinggi daripada CuCoNi-MEA. Studi kinetika mengungkapkan bahwa energi aktivasi nyatanya serendah 31,3 kJ mol-1, lebih rendah dari 35,6 kJ mol-1 pada CuCoNi, secara signifikan mengurangi hambatan kinetika reaksi.
Studi mekanisme mengungkapkan bahwa setelah pengenalan La, terjadi polarisasi muatan antaratom yang signifikan: La menunjukkan muatan positif +1,124 e, sementara Cu/Co/Ni menunjukkan muatan negatif. La bermuatan positif mengadsorpsi atom O metanol secara terarah, sedangkan Cu/Co/Ni bermuatan negatif mengadsorpsi dan mempercepat disosiasi atom H. Perhitungan DFT dan simulasi AIMD mengonfirmasi bahwa energi adsorpsi metanol pada situs La lebih negatif, dengan adsorpsi yang lebih cepat dan stabil. Kopling sinergis "adsorpsi-aktivasi" secara signifikan meningkatkan efisiensi katalitik. Penelitian ini memberikan strategi panduan baru untuk desain katalis produksi hidrogen berkinerja tinggi dan berbiaya rendah, yang sangat penting bagi pengembangan berkelanjutan energi hidrogen.
