Elektrokatalysator udviser fremragende vandspaltningsaktivitet

En nylig undersøgelse, tilknyttet Sydkoreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har rapporteret en fosfatbaseret elektrokatalysator af Fe ₃ Co(PO ₄ ) ₄ /reduceret-grafenoxid (rGO) (1) for OER, som er forudsagt at være meget aktiv af tæthedsfunktionel teori (DFT).

Der har været stor interesse for 'brint, der bryder vandmolekyler fra hinanden for at generere elektricitet' som en miljøvenlig energi til at erstatte fossile brændstoffer. På samme tid, det er vigtigt at øge effektiviteten af ​​vandnedbrydningsreaktionen for at bruge mindre elektricitet, og billige højtydende katalysatorer er blevet udviklet til at hjælpe de vigtige oxygen-genererende reaktioner.

Et forskerhold, ledet af den fremtrædende professor Kwang S. Kim fra School of Natural Sciences ved UNIST har rapporteret en fosfatbaseret elektrokatalysator af Fe ₃ Co(PO ₄ ) ₄ /reduceret-grafenoxid (rGO) (1) for OER, som er forudsagt at være meget aktiv af tæthedsfunktionel teori (DFT). Den nye katalysator er iøjnefaldende, med en ydelsesforbedring på 25 % i forhold til kommercielt tilgængelige dyre katalysatorer.

I vandnedbrydningsreaktionen, hydrogen- og oxygenproducerende reaktioner forekommer samtidigt. Imidlertid, oxygengenereringsreaktionen af ​​de to er relativt langsom for at sænke effektiviteten af ​​den samlede vandnedbrydningsreaktion. For at overvinde dette problem, iridiumoxid (IrO₂) og rutheniumoxid (RuO₂) bruges som katalysatorer til oxygengenereringsreaktioner for at øge reaktionshastigheden, men de er mindre stabile end fremragende ydeevne. Ud over, dyre ædelmetaller som iridium og ruthenium har den begrænsning, at hovedkomponenterne.

Holdet udviklede en ny oxygen-genererende katalysator, der bruger billige materialer og er yderst effektiv og stabil. Sultan er et materiale, hvori jern (Fe), kobolt (Co) og phosphorsyre (P) er placeret på en grafenoxidunderstøtning designet af en UNIST kemiforsker. Ifølge forskningsretningen, Hamilan, en UNIST kemiforsker, brugte en supercomputer til at beregne materialer af forskellig sammensætning, som jern og kobolt kunne kombinere med fosforsyre.

I tilfælde af en fosfatbaseret elektrokatalysator, oxygenudviklingsreaktionen foregår på jern- og koboltatomer. Fordelingen af ​​elektroner og kemiske bindinger omkring disse atomer bestemmer effektiviteten af ​​iltudviklingsreaktionen. For de nyudviklede katalysatorer, den tilsatte phosphorsyre blev beregnet for at optimere denne fraktion. Holdet syntetiserede disse teoretisk forudsagte materialer og demonstrerede dem eksperimentelt.

Den nye katalysator er mere end 25 % mere effektiv end kommercielle iridiumoxidkatalysatorer. Katalytisk effektivitet vurderes som "overspænding, " mængden af ​​yderligere elektrisk energi, der går ind i reaktionen. Iridiumoxid krævede 303 millivolt (mV), når man opnåede en strømtæthed på 100 milliampere (mA) pr. 1 cm 2 katalysator, men kun 237 mV for den nye katalysator. Denne værdi er tæt på den teoretisk forudsagte værdi.

Det nysyntetiserede materiale har fremragende stabilitet såvel som ydeevne. Efter mere end 5000 reaktioner ikke ændrede sig væsentligt strukturelt, og selv efter reaktionen i 70 timer forringede den ikke reaktiviteten. Ud over, grafenoxidunderstøtningen, der udgør katalysatoren, kompenserede for den lave elektriske ledningsevne af jern/cobolt og fosforsyre, som viste bedre reaktivitet.

"Gennem denne undersøgelse, vi har udviklet en katalysator, der er meget mere iltproducerende end en dyr kommerciel katalysator og er flere hundrede gange billigere, " siger den ærede professor Kim. "Det vil være nyttigt til at udvikle katalysatorer til forskellige miljøvenlige energimaterialer såsom brændselsceller."

Resultaterne af denne forskning er blevet offentliggjort i november 2019-udgaven af Naturkommunikation .