Superaerofobiske hydrogeler til forbedret elektrokemisk og fotoelektrokemisk brintproduktion

En nylig undersøgelse, tilknyttet Sydkoreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har afsløret en ny teknik, der giver et øget hydrogenproduktionsudbytte med fem gange via aflejring af meget porøse superaerofobiske hydrogeler på en ønsket elektrodeoverflade.

Vanddråber, der falder på lotusblade, hopper let af i stedet for at blive delvist fastgjort på overfladen. Dette skyldes den uregelmæssige fordeling af mikrobuler på bladene, som har den egenskab at afvise vand. Tager signaler fra lotusblade, en teknik, der væsentligt forbedrer effektiviteten af ​​brintproduktion via forbedring af elektrodeoverflader, er blevet udviklet.

Et forskerhold, i fællesskab ledet af professor Jungki Ryu og professor Dongwoog Lee fra School of Energy and Chemical Engineering har afsløret en ny teknik, der giver et øget hydrogenproduktionsudbytte med fem gange via afsætning af meget porøse superaerofobiske hydrogeler på en ønsket elektrodeoverflade. Dette har tiltrukket sig stor opmærksomhed, da det øger brintproduktionseffektiviteten markant uden behov for at udvikle nye katalysatorer.

Når en kulsyreholdig drik hældes i et glas, CO ₂ gas, der er opløst i drikkevaren, danner små bobler, der klæber til glassets indvendige overflade. Selvom disse bobler ikke betyder noget, når man drikker drikkevarer, de kan påvirke mange elektrokemiske systemer negativt. Ja, i elektrolyseceller, boblerne dannet på overfladen af ​​elektroder reducerer reaktionseffektiviteten, hvilket fører til energitab. Derfor, det er vigtigt at fjerne boblerne, der klæber til elektrodeoverfladen.

For at løse disse problemer, forskerholdet rapporterede en simpel strategi til realisering af superaerofobiske elektroder via aflejring af hydrogeler på en ønsket elektrodeoverflade. Hydrogel er en alsidig klasse af tværbundne polymerer, der har evnen til at absorbere og tilbageholde en stor mængde vand og vandige opløsninger. Udover, aflejring af hydrogeler som belægninger på faste overflader kan tjene som en effektiv fjernelse af gasbobler.

I undersøgelsen, forskerholdet målte elektrodernes ydeevne af gasudviklingsreaktioner (f.eks. HER) baseret på aflejring af superaerofobe hydrogeler på en måloverflade. Ved at bruge M13 virale hydrogeler som modelsystem, de fandt ud af, at den 3-D porøse struktur af den virale hydrogel kan give superaerofobicitet til det underliggende substrat, dermed let eliminere gasbobler. Ud over, HER-ydelsen blev væsentligt forbedret som et resultat af adskillelsen af ​​katalytisk aktive og superaerofobiske steder.

"Da polymerer ikke kan tjene som katalysatorer, der accelererer kemisk reaktion, og fordi de ikke leder elektricitet, de er blevet forventet at sænke effektiviteten af ​​vandelektrolyse, " siger professor Ryu. "På grund af dette, det har aldrig været brugt til elektroder, men vi var i stand til at løse manglerne ved elektrolysemetoden via aflejring af hydrogeler på en ønsket elektrodeoverflade."

Deres arbejde har tiltrukket sig opmærksomhed fra mange forskere, som en ny teknologi til at bibringe bobleafvisende egenskaber (såkaldt superaerofobicitet) via aflejring af superaerofobe hydrogeler på en fast overflade. Selvom forskere har forsøgt at give superaerofobicitet til elektroder ved at kontrollere mikrostrukturerne af faste overflader, konventionelle tilgange har begrænsninger, da de er materialespecifikke, svært at skalere op, muligvis skadelig for elektrodernes katalytiske aktivitet og stabilitet, og inkompatibel med fotoelektrokemiske applikationer. Den nye metode kan anvendes på alle faste materialer, og har dermed en bred vifte af anvendelser, da det kun kræver afsætning af hydrogeler på en ønsket elektrodeoverflade. Ud over, deres tilgang kunne også med succes anvendes på fotoelektroder på grund af hydrogelens gennemsigtighed; derimod konventionelle tilgange, som er afhængige af nano- og mikrofremstilling af elektroder, have lavere gennemsigtighed.

"Dette er den første undersøgelse, der realiserer bobleafvisende egenskaber (såkaldt superaerofobicitet) på overfladen af ​​forskellige faste stoffer via aflejring af hydrogeler på en ønsket elektrodeoverflade, " siger professor Lee. "Denne undersøgelse kan give indsigt i en enkel metode til design og fremstilling af effektive strøm- og sol-til-gas-konverteringsenheder."