Høstning af brint fra nanogarder

Nemt produceret, naturlignende nanostrukturer af koboltphosphid er yderst effektive katalysatorer til elektrolyse af vand, ifølge forskning udført af kemiker Ning Yan og hans team ved University of Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences sammen med kolleger fra School of Physics and Technology ved Wuhan University, Kina. I et papir på forsiden af Journal of Materials Chemistry A , de beskriver, hvordan relativt enkle elektrokemiske aflejringsmetoder giver græs-, blad-, og blomsterlignende nanostrukturer, der bærer løftet om effektiv brintproduktion.

Til forberedelse af nanostrukturer, top-down tilgange som litografi har siden længe været almindelige. Dette har vist sig at være ganske nyttigt i fremstilling af halvleder, men for mere dedikerede applikationer, det er tidskrævende og ikke særlig omkostningseffektivt. Som et alternativ, mange forskere undersøger bund-op-syntesen af ​​nanostrukturer, for eksempel, baseret på selvsamling af molekyler eller nanoskala byggesten. Imidlertid, opnåelse af geometri kontrol kræver ofte dyre tilsætningsstoffer og overfladeaktive stoffer, hvilket gør materialeforberedelse i stor skala ganske udfordrende.

Som et alternativ, Lektor Ning Yan, sammen med sin ph.d. studerende Jasper Biemolt og Pieter Laan fra University of Amsterdams Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences, har nu undersøgt en forholdsvis ligetil metode til elektroaflejring af kobolthydroxid. I samarbejde med forskere på School of Physics and Technology ved Wuhan University, Kina, de har været i stand til at designe og forberede en række nano-arkitekturer, der ligner forskellige ting i en have:jord, spirer, græs, blomster, og blade.

Forskerne rapporterer, at de har mestret systemet på en sådan måde, at de er i stand til at vokse nogen af ​​disse strukturer efter behag.

Tilføjelse til dette, de var i stand til at gøre nanostrukturer katalytisk aktive ved en simpel phosphideringsprocedure. De resulterende koboltphosphid -nanostrukturer udviser bifunktionel katalytisk aktivitet i elektrolytisk vandopdeling, forbedring af både hydrogen- og iltgenereringsreaktioner.

Hierarkiske nanostrukturer gennem kontrolleret syntese

Ning Yan og kolleger dyrkede deres nanogarder på en klud bestående af kulfiber med en diameter på omkring 10 mikrometer, et almindeligt elektrodemateriale i brændselscelle- og elektrolyserindustrien. Havearbejdet startede med at deponere et lag "jord" ved hydrotermisk at indkapsle fibrene med et tæt lag kobolthydroxid. Dette lag øgede nanostrukturenes strukturelle stabilitet. Gennem variation af ionkoncentration og temperatur, de var i stand til at fremkalde "spiring" af græslignende træk, der er stærkt "forankret" i jorden.

Disse græsser har en gennemsnitlig længde på 1,5 um og en tykkelse på omkring 100 nm. For at tilføje blomster og blade til de græsklædte træk, forskerne anvendte en elektrodeponeringsmetode. I en fortyndet opløsning, elektroaflejring foregår dominerende fra spidsen af ​​græsstammen, hvor den lille krumningsradius resulterer i en højere rumladningstæthed. I mere koncentrerede løsninger, elektroaflejringen forløber hovedsageligt fra bunden af ​​stilkene. Dette resulterer i aflejring af "grønne" træk, som faktisk er sammenvævede dendritiske aflejringsstrukturer.

Efter omdannelse af kobolthydroxid -nanostrukturer til koboltphosphid ved hjælp af fosfidering, forskerne vurderede deres katalytiske aktivitet i en indstilling, der tilstrækkeligt repræsenterede industrielt relevante forhold. Som det viste sig, katalysatorens ydeevne i et surt miljø er blandt de bedste af nutidens overlegne ikke-ædle metalkatalysatorer til hydrogenudvikling. Desuden, i sure såvel som alkaliske og neutrale forhold, de blomstrende nanofunktioner resulterede i betydeligt større omsætningsfrekvenser end de grønne funktioner, især ved højere overpotentialer, når brintudvikling påvirkes af begrænsninger i massetransport. Forskerne tilskriver dette til geometrien af ​​nanofunktionerne, hvor blomsterne muliggør jævnere losning af brint. Imidlertid, de forskellige reaktionsmiljøer i nanostrukturernes øverste og nederste position supplerer hinanden, hvilket resulterer i optimal samlet ydeevne.

Endelig, i elektrolyseeksperimenter på vandspaltning, forskerne viste, at deres nanogarder ikke kun katalyserer brintudviklingsreaktionen, men også iltudviklingen. Denne bifunktionelle aktivitet blev vist ved hjælp af en symmetrisk to-elektrode-opsætning med helt identiske nanogardens ved anoden og katoden. Teamet vil yderligere undersøge brugen af ​​elektroner til at kontrollere væksten af ​​nanokrystaller i en "elektrificeret" materialesyntese, der lover et bæredygtigt fremtid.