Forskere udvikler en billig katalysator til grøn brintproduktion

Elektrolyse er en proces, der bruger elektricitet til at skabe brint- og iltmolekyler fra vand. Brugen af ​​protonudvekslingsmembraner (PEM) og vedvarende energi til vandelektrolyse betragtes bredt som en bæredygtig metode til brintproduktion. En udfordring ved at fremme PEM-vandelektrolyseteknologi er imidlertid manglen på effektive, billige og stabile katalysatorer til oxygenudviklingsreaktion (OER) i sure opløsninger under PEM-vandelektrolyse.

Mens iridium-baserede katalysatorer er en potentiel løsning, er metallisk iridium sjælden og dyr i naturen. Alternativt oxider af ruthenium (RuO₂ ) tilbyder en mere overkommelig og reaktiv mulighed, men de lider også af stabilitetsproblemer. Derfor udforsker forskere måder at forbedre stabiliteten af ​​RuO₂ struktur til at udvikle lovende OER-katalysatorer til en vellykket implementering af brintproduktionsteknologi.

Nu, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Journal of Energy Chemistry , en gruppe forskere, ledet af professor Haeseong Jang fra Department of Advanced Materials Engineering ved Chung-Ang University, har udviklet en lovende OER-katalysator.

Benævnt SA Zn-RuO₂ katalysatoren omfatter RuO₂ stabiliseret af enkelte zinkatomer. Prof. Jang uddyber deres undersøgelse:"Vi var motiveret af behovet for at finde effektive og omkostningseffektive alternative elektrokatalysatorer til OER i PEM-vandelektrolyse. Baseret på vores undersøgelse foreslår vi en dobbelt-engineering strategi, der involverer enkeltatom Zn-doping. og indførelsen af ​​ilt ledige pladser for at balancere høj katalytisk aktivitet med stabilitet under sur OER."

Forskerne syntetiserede SA Zn-RuO₂ ved at opvarme en organisk ramme med ruthenium (Ru) og zink atomer, danne en struktur med ilt ledige (manglende ilt atomer, der positivt ændrer egenskaberne) og Zn-O-Ru bindinger.

Disse bindinger stabiliserer katalysatoren på to måder:ved at styrke Ru-O-bindingerne og tilvejebringe elektroner fra zinkatomer for at beskytte ruthenium mod overoxidation under OER-processen. Ydermere sænker det forbedrede elektroniske miljø omkring ruthenium-atomerne de energier, der er nødvendige for, at molekyler kan klæbe til overfladen, og dermed sænke energibarrieren for reaktionen.

Den resulterende katalysator var mere stabil uden tilsyneladende fald i reaktivitet og klarede sig væsentligt bedre end kommerciel RuO₂ . Desuden krævede det mindre ekstra energi (lavt overpotentiale på 213 mV sammenlignet med 270 mV for kommerciel RuO₂ ) og forblev funktionel i en længere periode (43 timer sammenlignet med 7,4 timer for kommerciel RuO₂ ).

På grund af dets forbedrede stabilitet og funktioner er den nyligt foreslåede SA Zn-RuO₂ katalysator har potentiale til at påvirke udviklingen af ​​omkostningseffektive, aktive og syrefaste elektrokatalysatorer til OER. Dette kan igen hjælpe med at reducere omkostningerne og øge produktionen af ​​grøn brint, og hjælpe med et skift i retning af renere energikilder og fremskridt inden for bæredygtige teknologier.

"Vi tror på, at dette skift kan revolutionere industrier, transport og energiinfrastruktur og bidrage til indsatsen rettet mod at bekæmpe klimaændringer og fremme en mere robust og miljøbevidst fremtid. Dette skyldes, at tilgængeligt grønt brint kan have en transformativ indvirkning på samfundene ved at afbøde miljøpåvirkninger, skabe arbejdspladser og sikre energisikkerhed gennem diversificerede og bæredygtige energiløsninger," forklarer prof. Jang.

Sammenfattende er det meget reaktive og katalytisk stabile RuO₂ katalysator for den sure OER har øget holdbarhed og gunstige egenskaber og har potentiale til at vejlede designet af robuste og aktive ikke-iridium-baserede OER-elektrokatalysatorer til praktiske anvendelser.

Flere oplysninger: Qing Qin et al., Tuning elektronisk struktur af RuO₂ ved enkelt atom Zn og ilt ledige pladser for at øge oxygenudviklingsreaktionen i surt medium, Journal of Energy Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.jechem.2023.09.010

Leveret af Chung Ang University