Forskere udvikler en ny heterostrukturkatalysator til effektiv brintgenerering fra vandspaltning

Bekymringer om stigende atmosfæriske kuldioxidniveauer og global opvarmning har gjort det til en miljømæssig nødvendighed at erstatte fossile brændstoffer med renere og mere bæredygtige alternativer. I denne henseende har brint, en ren energikilde, vist sig som en fremragende potentiel kandidat.

Blandt de adskillige metoder, der er tilgængelige til brintgenerering, er spaltning af vand ved hjælp af elektricitet i nærværelse af en katalysator - eller elektrokatalytisk vandopdeling, som det kaldes - den reneste. Desværre kræver processen dyre og sjældne ædelmetalkatalysatorer, såsom platin, for at opretholde en rimelig effektivitet. Dette har igen begrænset dens store industrielle anvendelser.

En relativt billig mulighed er overgangsmetalbaserede katalysatorer, såsom oxider, sulfider, hydroxider af kobolt, nikkel, jern osv. Der er dog en hake:den elektrokatalytiske vandspaltning består af to halvreaktioner, nemlig hydrogenudviklingsreaktionen ( HER) og oxygenudviklingsreaktionen (OER). I OER oxideres vandmolekyler for at danne oxygen og positive hydrogenioner ved anoden (positivt ladet elektrode). Hydrogenionerne bevæger sig derefter over elektrolytten til katoden (den negativt ladede elektrode), hvor de reduceres til at producere brint (HER). Det viser sig, at de fleste overgangsmetalbaserede katalysatorer, der er rapporteret indtil videre, kun kan katalysere enten HER eller OER. Dette giver en kompliceret konfiguration og en højere samlet pris.

På denne baggrund udviklede forskere fra Chung-Ang University i Korea i et nyt studie en ny heterostruktureret katalysator bestående af hult koboltsulfid (CoS_x ) og nikkel-jern (NiFe) lagdelte dobbelthydroxid (LDH) nanoplader, der samtidigt booster begge halvreaktioner. Dette papir blev gjort tilgængeligt online den 15. marts 2022 og blev offentliggjort i bind 18, udgave 16 af tidsskriftet Small den 16. april 2022.

"En rimelig strategi til fremstilling af højeffektive katalysatorer til vandspaltning er at omhyggeligt integrere OER-aktive NiFe LDH og HER-aktive katalysatorer i en heterostruktur," forklarer adjunkt Seung-Keun Park, der stod i spidsen for undersøgelsen. "I betragtning af deres høje overfladeareal og åbne struktur menes hule HER-katalysatorer at være ideelle til dette job. Det viser sig, at metal-organiske rammer (MOF'er) er en effektiv forløber til fremstilling af hule strukturer. Men en MOF-baseret hul katalysator med NiFe LDH er endnu ikke indberettet."

I overensstemmelse hermed afsatte forskerne elektrokemisk NiFe LDH nanoplader på en kontrolleret måde på overfladen af ​​hul CoS_x nanoarrays understøttet på nikkelskum. "Integrationen af ​​en aktiv HER-katalysator, CoS_x og en OER-katalysator, NiFe LDH, garanterer en overlegen bifunktionel katalytisk aktivitet," siger Dr. Park.

Og faktisk var katalysatoren i stand til konsekvent at levere en høj strømtæthed på 1000 mA cm ^-2 i begge halvreaktioner ved lave cellespændinger, hvilket tyder på dets gennemførlighed til vandopdelingsapplikationer i industriel skala. Forskerne tilskrev dette til tilstedeværelsen af ​​rigelige aktive steder på katalysatorens heterostruktur, som muliggjorde elektrolytpenetrering og gasfrigivelse under reaktionerne. Derudover viste en elektrolysator baseret på denne katalysator en høj strømtæthed på 300 mA cm ^-2 ved en lav cellespænding og en holdbarhed på 100 timer i samlet vandspaltning.

"De forbedrede elektrokatalytiske egenskaber af vores katalysator skyldes sandsynligvis dens unikke hierarkiske heterostruktur og synergien mellem dens komponenter. Vi tror på, at vores arbejde vil bringe os et skridt tættere på at realisere et nul-emissionssamfund," siger Dr. Park. + Udforsk yderligere

Tredimensionelle Mn-doterede nanoplader som effektive elektrokatalysatorer til alkalisk vandspaltning