Varmebehandling giver præcis kontrol over katalytisk aktivitet af metalsulfidnanopartikler

Nanopartikelkatalysatorer udviklet af A*STAR-forskere kan hjælpe med at spalte vand til at producere brint, et rent brændende brændstof, der giver en bekvem måde at opbevare vedvarende energi på.

Platin er i øjeblikket det mest effektive katalytiske elektrodemateriale til at generere brint på denne måde, men det ædle metal er både sparsomt og dyrt. Yee-Fun Lim og kolleger ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering har nu udviklet elektrokatalysator-nanopartikler, der er meget aktive, billig og stabil, og som udfører hydrogenudviklingsreaktionen såvel som eventuelle alternativer til platin, der endnu er opdaget.

Holdet brugte porøst nikkelskum som grundlag for deres elektrode, fordi det giver et meget stort overfladeareal til at understøtte aktive katalytiske nanopartikler. Derefter overtrak de skummet med en kobolt-thiourinstofforbindelse, og opvarmede det for at nedbryde thiourinstoffet, som frigav svovl. Dette svovl reagerede med metallerne for at danne nanopartikler af koboltsulfid og nikkelsulfid. Forskerne studerede strukturen og sammensætningen af ​​nanopartiklerne ved hjælp af en række forskellige teknikker, herunder røntgendiffraktion og scanningselektronmikroskopi.

Under reaktionen, elektricitet hjælper metalatomer på overfladen af ​​disse nanopartikler med at plukke et brintatom fra et vandmolekyle. Hydrogenatomet kombineres derefter med et andet brintatom - enten på nanopartiklernes overflade, eller fra et andet vandmolekyle - for at lave brintgas (H2). Afgørende, metalsulfidnanopartiklerne fungerer godt under de alkaliske forhold, der normalt kræves til den parallelle reaktion, der genererer oxygen under vandspaltning.

Lims team viste, at variation af temperaturen og varigheden af ​​opvarmningstrinnet, der blev brugt til at forberede nanopartiklerne, havde en dramatisk effekt på deres sammensætning og relative proportioner, og test viste, at dette bestemte deres aktivitet i hydrogenudviklingsreaktionen. Langvarig opvarmning fik nogle af nanopartiklerne til at klumpe sammen, for eksempel, og øgede også andelen af ​​koboltsulfid, hvilket reducerede katalysatorens aktivitet betydeligt.

Den bedste ydeevne kom fra det blandede metalsulfid, der var blevet opvarmet til 500 grader Celsius i kun 10 minutter (se billede). Det krævede en relativt lav spænding på 163 millivolt for at starte hydrogenudviklingsreaktionen, kun 47 millivolt højere end en kommerciel platinelektrokatalysator, og sammenlignelig med de bedste alternativer. Katalysatoren viste ingen nedbrydning i løbet af tre dages kontinuerlige reaktioner.

"Den blandede katalysator kombinerer de gode egenskaber fra både nikkel- og koboltkatalysatorer for at opnå overlegen ydeevne, " siger Lim. Hans team planlægger at bruge en lignende tilgang til at skræddersy katalytiske nanopartikler til en anderledes reaktion, der gør kuldioxid til brændstof.