Forskere forbedrer vandspaltningsreaktionen til produktion af grøn brint

Grøn brint (eller H₂ ) produceret af vedvarende energiressourcer er brændstoffet i en dekarboniseret fremtid. Elektrolyse, eller spaltning af vand til oxygen og brint ved hjælp af en elektrokemisk celle, er en af ​​de mest populære måder at producere grøn H₂ på .

Det er en simpel reaktion, sikrer produkter af høj kvalitet og har ingen kulstofemissioner. På trods af dets fordele har elektrokemisk vandspaltning dog endnu ikke opnået fremtræden i kommerciel skala. Dette skyldes den lave elektriske ledningsevne af aktive (oxy)hydroxidkatalysatorer genereret in situ under de elektrokemiske processer. Dette fører igen til begrænset katalytisk aktivitet, der hæmmer hydrogen- og oxygenudviklingsreaktioner i cellen.

Problemet med (oxy)hydroxids dårlige elektriske egenskaber har været en langvarig udfordring for opnåelsen af ​​effektiv vandspaltning. Nu har et team af forskere ledet af lektor Junhyeok Seo fra Institut for Kemi ved Gwangju Institute of Science and Technology fundet en løsning på dette problem i form af Schottky-kryds.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Applied Catalysis B:Environmental , demonstrerede de en elektrode med en Schottky-forbindelse dannet ved grænsefladen af ​​metallisk nikkel-wolframnitrid (Ni-W₅ N₄ ) og halvledende n-type nikkel-jern (oxy)hydroxid (NiFeOOH) katalysator. Denne elektrode var i stand til at overvinde konduktansgrænsen for (oxy)hydroxid og forbedrede opsætningens vandopdelingsevne.

Navnlig blev to materialer, et metal og en halvleder, med stort set forskellig elektronisk adfærd, sat i kontakt for at gøre en energiforskel ved grænsefladen og danne et kryds. "Vores forskning udnyttede denne potentielle energibarriere, der var til stede i Schottky-krydset til at accelerere elektronstrømmen i elektroden, hvilket førte til en betydelig stigning i iltudviklingsreaktionsaktivitet, hvilket fremskyndede den samlede vandopdeling," forklarer Dr. Seo og fremhæver kernemekanismen bag deres nye designet elektrode.

Efter at have udført elektrokatalytisk vandspaltning, observerede holdet, at Ni-W₅ N₄ legering katalyserede hydrogenudviklingsreaktionen, hvilket resulterede i 10 mA/cm ² strømtæthed ved et lille overpotentiale på 11 mV. Endvidere dannes det ensretterende Schottky-kryds ved grænsefladen af ​​Ni-W₅ N₄ |NiFeOOH annullerede den ikke-ledende laminering produceret af (oxy)hydroxidarter.

I fremadgående bias udviste den en strømtæthed på 11 mA/cm ² ved 181 mV overpotentiale. Den elektrokemiske analyse af elektroden viste, at den forbedrede katalytiske aktivitet faktisk kunne tilskrives Schottky-forbindelsen.

Til sidst designede forskerne en elektrolysator ved hjælp af deres Schottky junction-elektrode til industriel havvandselektrolyse. De fandt ud af, at den nye enhed kunne fungere uafbrudt i 10 dage, samtidig med at den udviste enestående katalytisk aktivitet og holdbarhed under elektrolyse. Den viste en bemærkelsesværdig strømtæthed på 100 mA/cm ² ved et overpotentiale på kun 230 mV.

Samlet set mener forskerne, at disse resultater kan bidrage til en bæredygtig strategi for brintproduktion til i sidste ende at erstatte konventionelle metoder, der stadig er afhængige af fossile brændstoffer. Som Dr. Seo konkluderer:"Ferskvand og havvand er rigelige og vedvarende kilder til protoner. Effektive vandopdelingssystemer sikrer, at vi kan etablere bæredygtig produktion af kulstoffrit brintbrændstof og dermed hjælpe med at håndtere vores nuværende klimaproblemer."

Flere oplysninger: Selvaraj Seenivasan et al., Schottky-switch afledt af metallisk W5N4 | Katalysatorforbindelse:Tænd for at forbedre katalytisk aktivitet og holdbarhed i vandspaltningsreaktion, Anvendt katalyse B:Miljømæssig (2023). DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123233

Leveret af Gwangju Institute of Science and Technology