Et skridt nærmere en brintdrevet økonomi ved hjælp af en effektiv anode til vandopdeling

I den seneste tid, der er sket et paradigmeskifte i retning af vedvarende energikilder for at imødekomme bekymringerne vedrørende miljøforringelse og svindende fossile brændstoffer. En række alternative grønne energikilder såsom solenergi, vind, hydrotermisk, tidevand, etc., har fået opmærksomhed for at reducere det globale CO2-fodaftryk. En af de vigtigste udfordringer med disse energigenereringsteknologier er, at de er intermitterende og ikke kontinuerligt tilgængelige.

"Vi kan ikke bruge solenergi om natten og vindenergi, når vinden ikke blæser. Men vi kan lagre den genererede elektricitet i nogle andre former og udnytte den, når det er nødvendigt. Det er sådan, at vandopdeling bygger bro over kløften og har vist sig som en meget lovende energilagringsteknologi, " sagde professor Masayuki Yagi, der forsker i energilagringsmaterialer og teknologi ved Institut for Materialevidenskab og Teknologi, Det Tekniske Fakultet/Graduate School of Science and Technology, Niigata Universitet. Vandspaltning er en af ​​de lovende energilagringsløsninger, der potentielt ville drive verden mod en brintdrevet økonomi.

Vanddissociationsprocessen, alternativt kendt som kunstig fotosyntese, traditionelt anvender elektricitet til at splitte vandmolekylet gennem to halvreaktioner i en elektrokemisk celle. Hydrogenudviklingsreaktionen sker ved katoden, hvor brintbrændstof genereres, og vandoxidationen sker ved anoden, hvor åndbart oxygen frigives. Selvom vand er et simpelt molekyle, der kun består af tre atomer, processen med at adskille den er ret intens og udfordrende.

Den oprindelige energi, kendt i videnskabelige termer som overpotentialet, spiller en afgørende rolle for at påvirke reaktionens forløb. For de materialer, der er undersøgt indtil videre, den initiale energi, der kræves for at udløse brintudviklingen ved katoden og oxygenudviklingen ved anoden, er så høj, at processen eskalerer de samlede omkostninger ved reaktionen, derved, negativ indflydelse på dets kommercielle udnyttelse. Dette er især et stort problem ved anoden, fordi oxygenudviklingsreaktionen involverer overførsel af fire elektroner, som kræver en højere initial energi sammenlignet med reaktionen ved katoden.

Prof. Yagis forskerhold ved Niigata University, i samarbejde med forskningssamarbejdspartnere ved Yamagata University, undersøger den elektrokatalytiske vandopdeling og for at afhjælpe de vigtigste mangler. De har haft succes med at udvikle en effektiv vanddissociationsproces ved hjælp af nikkelbaserede nanoforbindelser som anoder, som er publiceret i som en videnskabelig artikel i Energi- og miljøvidenskab den 20. maj.

I dette studie, Prof. Yagis team har observeret, at den nikkelsulfid-nanotrådsbaserede anode har understøttet reduktionen af ​​den initiale energi, der kræves til iltudviklingsreaktionen. "Vi har fremstillet anoden ved hjælp af et unikt motiv af nikkelsulfid nanotråde stoppet ind i carbonnitridskeder. Kulnitridskederne forhindrer kerneområdet i NiS _x stænger fra omdannelse til deres oxid, og dermed beskytte dem mod yderligere nedbrydning. På overfladen af ​​nikkelsulfid nanotrådene, en tynd oxidfilm dannes på grund af kontakten med elektrolytopløsningen, som letter iltudviklingsreaktionen, " forklarede Prof. Yagi.

Forskerholdet har observeret, ved hjælp af avancerede mikroskopiteknikker og elektrokemiske målinger, at den fremstillede anode hjælper med at reducere den indledende energi, som accelererer fire-elektronoverførselsprocessen i oxygenudviklingsreaktionen. Forskningsresultatet fra Prof. Yagis team har et enormt potentiale til at forbedre den langsigtede ydeevne og stabilitet af den elektrokemiske celle.

Dette forskningsstudie er en vigtig milepæl i retning af at forbedre effektiviteten af ​​vandspaltningsteknologien. Prof. Yagi sagde, "Dette resultat er et stort gennembrud i det elektrokatalytiske vandopdelingssystem og kan utvivlsomt bidrage til at realisere det dekarboniserede menneskelige samfund i den nærmeste fremtid."