Ny elektrokatalysator udkonkurrerer platin i produktionen af ​​alkalisk brint

En ny ruthenium-baseret katalysator udviklet ved UC Santa Cruz har vist markant bedre ydeevne end kommercielle platinkatalysatorer i alkalisk vandelektrolyse til brintproduktion. Katalysatoren er et nanostruktureret kompositmateriale sammensat af carbon nanotråde med rutheniumatomer bundet til nitrogen og carbon for at danne aktive steder i carbonmatrixen.

Den elektrokemiske spaltning af vand for at producere brint er et afgørende skridt i udviklingen af ​​brint som et rent, miljøvenligt brændstof. En stor del af indsatsen for at reducere omkostningerne og øge effektiviteten af ​​denne proces har fokuseret på at finde alternativer til dyre platinbaserede katalysatorer.

På UC Santa Cruz, forskere ledet af Shaowei Chen, professor i kemi og biokemi, har undersøgt katalysatorer fremstillet ved at inkorporere ruthenium og nitrogen i kulstofbaserede nanokompositmaterialer. Deres nye resultater, udgivet 7. februar in Naturkommunikation , ikke kun demonstrere den imponerende ydeevne af deres ruthenium-baserede katalysator, men også give indsigt i de involverede mekanismer, hvilket kan føre til yderligere forbedringer.

"Dette er en klar demonstration af, at ruthenium kan have en bemærkelsesværdig aktivitet til at katalysere produktionen af ​​brint fra vand, " sagde Chen. "Vi har også karakteriseret materialet på atomare skala, som hjalp os med at forstå mekanismerne, og vi kan bruge disse resultater til det rationelle design og konstruktion af ruthenium-baserede katalysatorer."

Elektronmikroskopi og elementær kortlægningsanalyse af materialet viste ruthenium-nanopartikler såvel som individuelle rutheniumatomer i kulstofmatrixen. Overraskende nok, forskerne fandt ud af, at de vigtigste steder for katalytisk aktivitet var enkelte rutheniumatomer snarere end rutheniumnanopartikler.

"Det var et gennembrud, fordi mange undersøgelser har tilskrevet den katalytiske aktivitet til ruthenium nanopartikler. Vi fandt ud af, at enkelte atomer er de dominerende aktive steder, selvom både nanopartikler og enkelte atomer bidrager til aktiviteten, " sagde første forfatter Bingzhang Lu, en kandidatstuderende i Chens laboratorium ved UC Santa Cruz.

Lu arbejdede med medforfatter Yuan Ping, adjunkt i kemi og biokemi, at lave teoretiske beregninger, der viser, hvorfor ruthenium-enkeltatomer er mere aktive katalytiske centre end ruthenium-nanopartikler.

"Vi lavede uafhængige beregninger ud fra de første principper for at vise, hvordan ruthenium danner bindinger med kulstof og nitrogen i dette materiale, og hvordan dette sænker reaktionsbarrieren for at give bedre katalytisk aktivitet, " sagde Ping.

Chen sagde, at han har indgivet en patentansøgning for eksperimentel fremstilling af ruthenium-baserede katalysatorer. Han bemærkede, at ud over potentielle anvendelser for brintproduktion som en del af bæredygtige energisystemer, alkalisk vandelektrolyse er allerede meget brugt i den kemiske industri, ligesom en beslægtet proces kaldet chlor-alkali-elektrolyse, hvortil ruthenium-katalysatoren også kunne bruges. Der eksisterer således allerede et stort marked for billigere, mere effektive katalysatorer.

Elektrolysen af ​​vand til fremstilling af brint kan udføres under enten sure eller alkaliske forhold, og hver metode har fordele og ulemper. Platinkatalysatorer er meget mere effektive i sure medier, end de er i alkaliske medier. De rutheniumbaserede katalysatorer fungerer næsten lige så godt som platin i sure medier, mens den klarer sig bedre end platin i alkaliske medier, sagde Chen.

I det fremtidige arbejde, forskerne vil søge at maksimere antallet af aktive steder i materialet. De kan også undersøge brugen af ​​andre metaller i den samme nanokompositplatform, han sagde.