Stansning af huller i grafen for at øge brintproduktionen

Forskere kan have bragt fremtiden for vedvarende energi et skridt nærmere. En ny elektrode kan udføre hydrogenudviklingsreaktionen (HER) under sure forhold, gør teknologien både billigere og mere effektiv. Processen er hjulpet af en smart form for grafen.

Elektrolysen af ​​vand til brint er afgørende for energilagring i en grøn økonomi. En af de største forhindringer, imidlertid, er de høje omkostninger ved ædelmetalelektroder. Billigere ikke-adelige arbejder, men hovedsageligt under alkaliske forhold, hvor reaktionen er elektricitetskrævende; den mere effektive syrefase-reaktion kræver knappe råvaremetaller, såsom platin. Stadig værre, de sure elektrolytter er ætsende og tærer på kernemetallet.

Nu, forskere ledet af University of Tsukuba har fundet ud af, at "hullet" grafen tilbyder en vej rundt om dette problem. De brugte nitrogen-doterede grafenplader til at indkapsle en nikkel-molybdæn (NiMo) elektrodelegering. Afgørende, grafen blev stanset fuld af huller i nanometerstørrelse, som et dørslag. I et studie i ACS katalyse , de viste, at under sure forhold, det nye HER-system udkonkurrerer dramatisk en elektrode, der bruger almindelig ikke-holey grafen.

Brugen af ​​grafen i HER-elektroder er ikke ny – denne fleksible, ledende carbonplade er ideel til at vikle rundt om kernemetallet. Imidlertid, samtidig med at metallet beskyttes mod korrosion, grafen undertrykker også dets kemiske aktivitet. I det nye Tsukuba-system, de altafgørende huller fremmer reaktionen på to måder, mens den intakte grafendel beskytter metallet.

"Vi skabte huller ved at dekorere NiMo overfladen med silica nanopartikler, " forklarer undersøgelsens medforfatter Kailong Hu. "Så, da vi afsatte grafenlaget, huller blev efterladt på nanopartikelpositionerne - som et relief -kunstværk. Faktisk, hullerne er mere end bare huller - de er omgivet af kemisk aktive kamme kaldet 'frynser'. Teknisk set, disse frynser er strukturelle defekter, men de driver elektrodens kemi."

Sammenlignet med normal grafen, frynserne er mere hydrofile. Dette tiltrækker hydronium (H3O+) i syreopløsningen, som spiller en afgørende rolle i en af ​​de to HER-mekanismer. Frynserne er også fremragende til at adsorbere enkelte H-atomer, som giver ekstra overfladeareal til den anden vigtige HER-proces. Som resultat, H2 produceres lige så effektivt som på en konventionel (men dyr) Pt/C -elektrode. I mellemtiden den ikke-hullede del af grafen forsinker metalkatalysatoren i at opløses i syren.

"Dette er et alsidigt nyt koncept for brintudviklingselektroder, " siger hovedforfatter Yoshikazu Ito. "Målet er at minimere det overpotentiale, der er nødvendigt for reaktionen. Derfor, det er ikke begrænset til én bestemt katalysator. Vi tunede vores holey graphene lag specifikt til NiMo ved at optimere størrelsen og antallet af huller. Hvad der er imponerende er, at katalysatoren stadig var stabil i syre, trods hullerne. I fremtiden, holey graphene kunne tilpasses til en række metaller, skubbe effektiviteten af ​​brintproduktion i retning af fuldskala adoption."