Nye mekanismer for aktivitetsforbedring på bimetalliske katalysatorer til brintproduktion og brændselsceller

En gruppe forskere ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) og Xiamen University har afsløret nye forståelser for, hvordan overflade -rutheniumatomer kan forbedre brintudviklingen og oxidationsaktiviteterne i platin. Denne opdagelse åbner et nyt sted for rationelt design af mere avancerede katalysatorer til applikationer til elektrolysator og brændselsceller.

Hydrogen er en ren energibærer, der ikke indeholder kulstof. Det menes at spille en væsentlig rolle i vores fremtidige bæredygtige samfund. Hydrogen kan produceres fra vand via hydrogenudviklingsreaktionen (HER) i en elektrolysator ved hjælp af vedvarende energier, og forbruges via en hydrogenoxidationsreaktion (HOR) i en brændselscelle for at generere elektricitet. Desværre, disse to reaktioner er velkendte kinetisk træg i alkaliske medier, selv på de mest aktive platinkatalysatorer. De langsomme reaktionshastigheder begrænser effektiviteten af ​​disse to elektrokemiske anordninger og hindrer deres brede anvendelse. Det har været kendt, at reaktionshastighederne for HER/HOR på platin kan forbedres ved overflademodifikation eller legering med ruthenium. Imidlertid, mekanismerne for denne reklame har været til debat i over årtier. En del af årsagerne er mangel på direkte observation af hydrogenatoms adfærd på katalysatorernes overflader.

For at afsløre gåden om høje HER/HOR-aktiviteter på platinum-ruthenium bimetalliske katalysatorer, et forskerhold ledet af prof. Minhua Shao, Institut for Kemisk og Biologisk Teknik og Energiinstitut i HKUST, anvendte for nylig den kraftige overfladeforbedrede infrarøde absorptionsspektroskopi (SEIRAS) til direkte at overvåge bindingsstyrken af ​​det vigtige reaktionsmellemprodukt, brintatomer på forskellige overflader. Gennem den kombinerede elektrokemiske, spektroskopisk, og teoretiske undersøgelser bekræftede de, at overflade-rutheniumatomerne interagerede med underoverfladen platin er en størrelsesorden mere aktiv end platin, dvs. ruthenium frem for platinatomer er de vigtigste aktive steder i dette system.

"Tidligere værker brugte hovedsageligt konventionelle elektrokemiske og karakteriseringsteknikker, som ikke direkte kan overvåge adsorptionsadfærden for hydrogenreaktionsmellemprodukter. I dette arbejde, vi bruger den kraftige overfladeforbedrede infrarøde absorptionsspektroskopi, som er blandt de meget få teknikker, der direkte kan "se" overfladebrintatomer, og giver os mere ligetil information om, hvordan ruthenium forbedrer aktiviteten, "sagde prof. Shao." Dette arbejde udelukker den mest udbredte teori om, at den bifunktionelle effekt på grænsefladen mellem platin og ruthenium er årsagen til øgede aktiviteter, og åbner nye retninger for fremtidigt design af mere avancerede HER/HOR -katalysatorer, som følgelig kan reducere brugen af ​​ædle metaller i både vandelektrolysatorer og brintbrændselsceller. "

Dette arbejde er en del af det nystiftede Collaborative Research Fund-projekt ledet af Prof. "og udgør en vigtig undersektion af grundforskning til hele dette projekt. Efterfølgende arbejder på udvikling af praktiske og højtydende bimetalliske platinum-ruthenium-elektrokatalysatorer baseret på disse fund er i gang.

Denne undersøgelse blev for nylig offentliggjort i Naturkatalyse med titlen "Rutheniums rolle i forbedring af kinetikken ved brintoxidation og udviklingsreaktioner af platin."