Detronisering af elektrokatalysatorer til brintproduktion med billigt alternativt materiale

I dag, vi kan uden skygge af tvivl sige, at der er behov for et alternativ til fossile brændstoffer. Fossile brændstoffer er ikke kun ikke-vedvarende energikilder, men også blandt de førende årsager til global opvarmning og luftforurening. Dermed, mange videnskabsmænd verden over har deres håb til det, de betragter som fremtidens brændstof:brint (H ₂ ). Selvom H ₂ er et rent brændstof med utrolig høj energitæthed, effektivt at generere store mængder af det er fortsat en vanskelig teknisk udfordring.

Vandspaltning - nedbrydning af vandmolekyler - er blandt de mest udforskede metoder til at producere H ₂ . Selvom der er mange måder at gøre det på, de bedst effektive vandspaltningsteknikker involverer elektrokatalysatorer fremstillet af dyre metaller, såsom platin, ruthenium, og iridium. Problemet ligger i, at kendte elektrokatalysatorer fremstillet af rigelige metaller er ret ineffektive ved oxygenudviklingsreaktionen (OER), det mest udfordrende aspekt af vandopdelingsprocessen.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS Applied Energy Materials , et team af forskere ved Tokyo Institute of Technology, Japan, fundet en bemærkelsesværdig elektrokatalysatorkandidat til omkostningseffektiv vandspaltning:calciumjernoxid (CaFe ₂ O ₄ ). Mens jern (Fe) oxider er middelmådige ved OER, tidligere undersøgelser havde bemærket, at en kombination af det med andre metaller kunne øge deres ydeevne til faktisk nyttige niveauer. Imidlertid, som adjunkt og hovedforfatter Dr. Yuuki Sugawara kommenterer, ingen havde fokuseret på CaFe ₂ O ₄ som en potentiel OER -elektrokatalysator. "Vi ønskede at afsløre potentialet i CaFe ₂ O ₄ og belyse, gennem sammenligninger med andre jernbaserede bimetaloxider, afgørende faktorer, der fremmer dens OER-aktivitet, " forklarer han.

Til denne ende, holdet testede seks slags jernbaserede oxider, inklusive CaFe ₂ O ₄ . De fandt hurtigt ud af, at OER-ydelsen af ​​CaFe ₂ O ₄ var langt større end for andre bimetalliske elektrokatalysatorer og endda højere end for iridiumoxid, et bredt accepteret benchmark. Derudover de testede holdbarheden af ​​dette lovende materiale og fandt ud af, at det var bemærkelsesværdigt stabilt; ingen væsentlige strukturelle eller sammensætningsmæssige ændringer blev set efter målecyklusser, og udførelse af CaFe ₂ O ₄ elektrode i den elektrokemiske celle forblev høj.

Ivrig efter at forstå årsagen bag denne uudforskede elektrokatalysators enestående egenskaber, forskerne udførte beregninger ved hjælp af densitetsteori og opdagede en ukonventionel katalytisk mekanisme. Det ser ud til, at CaFe ₂ O ₄ tilbyder en energetisk gunstig vej til dannelse af oxygenbindinger, hvilket er et begrænsende trin i OER. Selvom der vil være behov for mere teoretiske beregninger og eksperimenter for at være sikker, resultaterne indikerer, at den tætte afstand mellem flere jernsteder spiller en nøglerolle.

Den nyopdagede OER-elektrokatalysator kunne bestemt være en game changer, som Dr. Sugawara bemærker, "Cafe ₂ O ₄ har mange fordele, fra dens nemme og omkostningseffektive syntese til dens miljøvenlighed. Vi forventer, at det vil være en lovende OER-elektrokatalysator til vandopdeling, og at det vil åbne en ny vej for udvikling af energikonverteringsenheder." den nye OER boosting mekanisme fundet i CaFe ₂ O ₄ kunne føre til konstruktion af andre nyttige katalysatorer.