Ny tilgang til vandelektrolyse for grøn brint

Nylig forskning i den krævende opgave at udvikle katalysatorer til brintproduktion har gjort betydelige fremskridt.

Professor Yong-Tae Kim fra Department of Materials Science and Engineering og Graduate Institute of Ferrous &Eco Materials Technology, og Kyu-Su Kim, en ph.d.-studerende fra Institut for Materials Science and Engineering ved Pohang University of Science and Technology (POSTECH) ), samarbejdet om et forskningsprojekt, der giver en lovende retning for den fremtidige udvikling af katalysatorer til vandelektrolyse.

Deres undersøgelse blev vist som forsideartikel i ACS Catalysis .

Vandelektrolyse, en metode til at producere brint fra den rigelige ressource af vand, fremstår som en miljøvenlig teknologi, der ikke producerer kuldioxidemissioner. Denne proces står imidlertid over for begrænsninger på grund af dens afhængighed af ædelmetalkatalysatorer såsom iridium (Ir), hvilket gør den økonomisk umulig. Forskere udforsker aktivt udviklingen af ​​katalysatorer i form af metallegeringer for at løse denne udfordring.

Inden for forskning i vandelektrolysekatalyse er de primære katalysatorer, der undersøges, iridium, ruthenium (Ru) og osmium (Os). Iridium udviser på trods af sin høje stabilitet lav aktivitet og kommer til en høj pris. Omvendt udviser ruthenium prisværdig aktivitet og er en mere omkostningseffektiv mulighed sammenlignet med iridium, selvom det mangler det samme niveau af stabilitet.

Osmium opløses på den anden side let under forskellige elektrokemiske forhold, hvilket fører til dannelsen af ​​nanostrukturer med et udvidet elektrokemisk aktivt overfladeareal, hvorved den geometriske aktivitet øges.

I første omgang udviklede forskerholdet katalysatorer, der anvender både iridium og ruthenium. Ved at kombinere disse metaller bevarede de med succes hver deres fremragende egenskaber, hvilket resulterede i katalysatorer, der viste forbedringer i både aktivitet og stabilitet. Katalysatorer, der inkorporerer osmium, udviste høj aktivitet på grund af det udvidede elektrokemiske aktive overfladeareal opnået gennem nanostrukturdannelse. Disse katalysatorer bibeholdt de fordelagtige egenskaber af iridium og ruthenium.

Efterfølgende udvidede holdet deres eksperimenter til at omfatte alle tre metaller. Resultaterne viste en moderat stigning i aktiviteten, men opløsningen af ​​osmium havde en skadelig effekt, hvilket signifikant kompromitterede den strukturelle integritet af iridium og ruthenium. I denne serie blev agglomerationen og korrosionen af ​​nanostrukturer accelereret, hvilket førte til et fald i balancen mellem katalytisk ydeevne.

Baseret på disse resultater har forskerholdet foreslået flere veje til yderligere katalysatorforskning. Først og fremmest understreger de behovet for en metrik, der samtidig kan evaluere både aktivitet og stabilitet. Denne metrik, kendt som aktivitetsstabilitetsfaktoren, blev oprindeligt introduceret af Kims forskergruppe i 2017.

Derudover advokerer holdet for bibeholdelse af overlegne katalysatoregenskaber selv efter dannelsen af ​​nanostrukturer for at forbedre det elektrokemiske aktive overfladeareal af elektrokatalysatoren. De fremhæver også vigtigheden af ​​omhyggeligt at udvælge kandidatmaterialer, der effektivt kan synergi, når de legeres med andre metaller. Essensen af ​​denne undersøgelse ligger ikke i at præsentere specifikke resultater som udviklingen af ​​nye katalysatorer, men snarere i at tilbyde væsentlige overvejelser for katalysatordesign.

Professor Yong-Tae Kim, der stod i spidsen for forskningen, sagde:"Denne forskning markerer begyndelsen på vores rejse, ikke konklusionen." Han delte sin vision ved at sige:"Vi er dedikeret til den kontinuerlige udvikling af effektive vandelektrolysekatalysatorer baseret på indsigten opnået fra denne forskning."

Flere oplysninger: Kyu-Su Kim et al., Forringet balance mellem aktivitet og stabilitet via Ru-inkorporering i ir-baserede iltudviklingsnanostrukturer, ACS-katalyse (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c01497

Journaloplysninger: ACS-katalyse

Leveret af Pohang University of Science and Technology