Forskerhold introducerer superaerofobiske tredimensionelle nikkelkatalysatorer til accelereret vandelektrolyse

Vandelektrolyseproces er et system, der producerer brint ved at elektrolysere vand. Det er en miljøvenlig teknologi, der kan producere brintbrændstof, en fremtidig energikilde, uden at udsende miljøforurenende stoffer, men dens begrænsninger omfatter lav brintproduktionseffektivitet og høje produktionsomkostninger. Et team af forskere fra Pohang University of Science and Technology (POSTECH) har offentliggjort forskning i Advanced Materials der løste begge problemer på én gang.

Et samarbejdende forskerhold bestående af professor Jong Kyu Kim, Jaerim Kim, en ph.d.-kandidat, professor Yong-Tae Kim og doktor Sang-Mun Jung fra Institut for Materialevidenskab og Engineering ved POSTECH er lykkedes med at udvikle en økonomisk og effektiv vandelektrolysekatalysator, der overvinder begrænsningerne ved konventionelle katalysatorer ved at bruge en skråvinkelaflejringsmetode og nikkel (Ni).

Vandelektrolyseprocesserne anvender kostbare ædelmetaller som platin som katalysatorer for brintproduktion, hvilket gør processen alt for dyr. Desuden resulterer brugen af ​​konventionelle tyndfilmskatalysatorer ofte i utilstrækkelig adskillelse af brintbobler, hvilket fører til blokeringer i katalysatorens aktive steder eller hindrer reaktantbevægelse, hvilket i sidste ende mindsker proceseffektiviteten.

Som svar på disse udfordringer valgte forskerholdet skrå vinkelaflejring og nikkel. Denne teknik involverer vipning af substratet under afsætning for nemt at skabe forskellige nanostrukturer af materialet, hvilket giver en ligetil og billig løsning. Desuden skiller nikkel sig ud som en rigelig ikke-ædelmetalkatalysator på Jorden, hvilket viser relativt høj effektivitet i brintgenerering.

Holdet brugte en skrå vinkelaflejringsmetode til at syntetisere nikkel med fint udformede, vertikalt justerede nanorods-fremspring. I modsætning til konventionelle nanostrukturer, der blot øger katalysatorens overfladeareal, konstruerede forskerne meget porøse nikkel nanorods-array, der præsenterer en unik superaerofob overfladeegenskaber for at løse problemerne med hydrogenvedhæftningen.

Eksperimentelle resultater viste, at brintbobler dannet under elektrolyseprocessen udviste den accelererede adskillelse af brintbobler fra den superaerofobe overflade. Holdets superaerofobiske tredimensionelle nikkel nanorods-katalysator med effektive porekanaler demonstrerede en bemærkelsesværdig 55-fold forbedring af effektiviteten af ​​brintproduktion sammenlignet med en tilsvarende mængde nikkel i en traditionel tyndfilmstruktur.

Professor Jong Kyu Kim og Ph. D. Jaerim Kim, der leder forskningen, forklarede:"Ved at forbedre effektiviteten af ​​vandelektrolyseprocessen til produktion af grøn brint, går vi frem mod en brintøkonomi og et CO2-neutralt samfund. Dette gennembrud er ikke gavner kun vandelektrolyse, men lover også forskellige andre vedvarende energianvendelser, hvor overfladereaktioner spiller en afgørende rolle, såsom reduktion af kuldioxid og lysenergikonverteringssystemer."

Flere oplysninger: Jaerim Kim et al., Effektiv alkalisk hydrogenudviklingsreaktion ved brug af superaerofobiske Ni-nanoarrays med accelereret H2-boblefrigivelse, avancerede materialer (2023). DOI:10.1002/adma.202305844

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Pohang University of Science and Technology