Høj effektivitet, billig katalysator til vandelektrolyse

Et forskerhold ledet af professor Sangaraju Shanmugam fra Energy Science and Engineering ved DGIST har udviklet meget effektive, ultraholdbar kerne-skal nanostruktureret elektrokatalysator og med succes erstattet den dyrebare anode i vandelektrolyse, gennem samarbejdet med forskningsgruppen i Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Udskiftning af konventionelle brændstoffer med vedvarende energiressourcer er en passende tilgang til at opnå et miljøvenligt miljø og mindske fremtidens energibehov. Dermed, elektrokemisk energiproduktion eller konvertering i vedvarende energianordninger, som afhænger af anode- og katodereaktioner, har fået meget opmærksomhed.

Ved elektrokatalytisk vandspaltning, iltgas genereres i anoden på grund af oxygenudviklingsreaktionen (OER), en langsom elektrokemisk reaktion sammenlignet med hydrogenudviklingsreaktionen (HER). Dermed, en egnet elektrokatalysator er nødvendig for stabil elektrokatalytisk vandspaltning.

Udvikling af effektive, holdbar, billige OER-elektrokatalysatorer er vigtige for vandelektrolyseapparater. Indtil nu, ruthenium- og iridiumoxiderne blev betragtet som avancerede elektrokatalysatorer i OER, men manglen på stabilitet begrænser deres anvendelse i storstilet vandopdeling, hindre udbredt kommercialisering.

Professor Shanmugams hold, sammen med forskere fra PNNL, har fokuseret på at udvikle en alternativ lavpris, ikke-ædelmetalelektrokatalysator til at erstatte ædelmetalanodeelektroden i effektiv vandspaltning. Kulstofunderstøttet metal betragtes som et effektivt elektrokatalytisk materiale til forbedret OER ved vandspaltning. Indtil nu, de fleste af de udviklede elektrokatalysatorer har haft et højere kulstofindhold og et mindre indhold af metalaktive arter. Jo højere kulstofmængde fastslog de rigtige metalaktive steder, og resulterede i en hurtigere kulstofkorrosionsforhold. Dette førte til lavere elektrokatalytisk aktivitet.

I undersøgelsen, forskerne fandt ud af, at et stort antal uorganiske koboltmetalioner, der er brobygget af organiske ligander i den preussiske blå, er en egnet forløber for udvikling af ultrastabile, metal-rig, nitrogen-doterede grafitiske nanocarbon-indkapslede kerne-skal elektrokatalysatorer til den træge OER (anode) i vandspaltning.

Ved opvarmning (600 til 900 grader C) i en inert atmosfære, koboltmetalioner og organiske ligander i saltet omdannes til koboltmetal og nitrogen-doterede grafitiske tynde kulstoflag, henholdsvis, som danner det tynde kulstoflag, indkapslet metallisk, kobolt kerne-skal nanostrukturer (Core-Shell Co@NC). De tynde kulstoflag har et stærkt samspil med koboltmetal, som fremmer mindre kulstofkorrosion, udviser fremragende elektronbevægelse, og har mere koboltmetal eksponering for reaktionsmediet, herunder dannelsen af ​​nanostørrelsesmorfologi uden partikelaggregering.

Den kombinerede effekt af kulstof og koboltmetal i elektroderne opnår mere effektiv elektrokatalytisk OER-aktivitet end ædelmetalelektroder til effektiv vandspaltning. Derfor, den ikke-ædelmetalrige elektrode er et alternativ, aktiv, stabil, og billigere OER-anode til omkostningseffektiv H2-gasproduktion i kommerciel vandelektrolyse.

"Vi forventer, at dette er en unik tilgang til udvikling af metalrige, nanostrukturer med reduceret kulstofindhold, der har forbedrede metalaktive steder, som har tynd kulstoflagsbeskyttelse og ultrahurtig elektronbevægelse i katalysatoroverfladen, som vil forbedre elektrokatalysatorernes elektrokemiske aktivitet og stabilitet, " siger professor Shanmugam. "Vi vil udføre de opfølgende undersøgelser, der kan bruges til at forstå den virkelige OER-mekanisme på den aktive art i nærvær af nanocarbonbelægning."

Dette forskningsresultat blev offentliggjort i online-udgaven af Avancerede energimaterialer den 11. januar 2018, et anerkendt internationalt tidsskrift inden for nye materialer.

Interview med professor Sangaraju Shanmugam (afdelingen for energividenskab og ingeniørvidenskab):

Q. Hvad er forskellene sammenlignet med tidligere undersøgelser?

A. I de tidligere undersøgelser, forskerne fremstillede de kulstofbelagte metaller fra forskellige forstadier, herunder metal-organiske rammer (MOF'er). De opnåede katalysatorer udviser mere kulstof med reduceret grafitisk natur, og kulstoffet dækkede de aktive metalsteder. Dermed, de fleste af de aktive metalsteder udnyttes ikke korrekt af de elektrokemiske reaktioner. Også, på grund af den betydelige kulstofkorrosion, disse katalysatorer er ikke egnede nok til den træge OER i vandspaltning ved det højere positive potentiale med manglende ustabilitet under barske elektrolytforhold. Derfor, i dette arbejde, vi forberedte de metalrige, tynde nanocarbon (NC) lag indkapslet elektrokatalysator af kerne-skal Co@NC nanostrukturer fra en enkelt precursor preussisk blå (PB) analog. Co@NC viste forbedret oxygenudviklingsaktivitet og ultrastabilitet på strømopsamleren af ​​nikkelskum. Samlet set, de tynde og ensartede kulstoflag sørger for de hurtige elektronbevægelser, flere metalaktive steder udnyttelse med nem elektrolytpenetrering. Mest vigtigt, det kan beskytte de aktive metalsteder mod korrosion med minimal eksponering, og også den stærke interaktion mellem metal- og kulstoflag udviser den synergistiske effekt mod den fremragende aktivitet og ultrastabilitet (over 350 timer) af kerne-skal Co@NC nanostrukturer med mindre mulighed for carbonoxidation.

Q. Hvordan kan det bruges?

A. Baseret på den bemærkelsesværdige OER-præstation, kinetics and long-term stability of core-shell Co@NC nanostructures as compared to the state-of-the-art Noble metal based electrocatalysts, such as IrO2 and RuO2, it is the most suitable candidate to replace precious metal OER electrodes for reducing the overall cost of the water electrolyzer system. Dermed, the development of efficient and durable non-noble metal electrocatalyst in water electrolyzer is the main obstacle for successful commercialization of water electrolyzers.

Q. How long will it be required for commercialization?

A. The process is readily available for the fabrication of cost-effective catalysts. But we still have to evaluate the integration of this catalytic system in a polymer electrolyte membrane electrolyzer .Studies are underway to understand the OER mechanism on this electrocatalyst. So for commercialization, it may require a year with complete understanding of activity and stability.

Q. What are the challenges for commercialization?

A. We have to make the uniform coating of this catalyst on the larger size current collectors without any peeling. So we need to find a more suitable coating methodology. Også, as with precious OER electrocatalysts, we have to understand the precise OER mechanism on this electrocatalysts to maintain/avoid activity losses due to the unwanted side reactions, etc.

Q. What is the motivation for your research?

A. The primary motivation of this work is to replace the precious anode in water electrolyzer systems with high activity and stability. So to improve the activity and stability, we tried to introduce the very thin carbon coating on the metal active sites. Samlet set, the development metal-rich and carbon less OER electrocatalysts with proper utilization of metal-active species and metal-carbon synergistic effect to overcome the sluggish anode reaction in water electrolysis.

Q. What is the final goal you would like to achieve through this research?

A. Based on this research, we understand that the metal-rich electrocatalysts are among the most suitable materials for excellent OER activity. So we want to prepare the cheapest anode electrocatalysts by using the same methodology and eliminate the use of precious electrodes in the water electrolyzer system for the production of green and sustainable hydrogen in large scale.