Konstruktion af ikke-ædelmetal-elektrokatalysatorer til omkostningseffektiv og miljømæssig ansvarlig vandopdeling

Der er en konstant kamp for at reducere kulstofbaserede energikilder og erstatte dem med alternativer med lavt eller ingen kulstofindhold. Processen med at spalte vand kunne være løsningen.

Brintproduktion er en enkel, sikker og effektiv metode til at producere mere energi end benzin kan ved den simple proces at spalte vand. At høste energi på denne måde, i modsætning til at stole stærkt (eller overhovedet) på kulstofbaserede energikilder, bliver i stigende grad standarden. Forskere har fundet en metode til at bruge overgangsmetalsulfider, som tin (Sn), kobolt (Co) og jern (Fe) på nikkelskum, til at udvikle ikke-ædelmetalelektrokatalysatorer til brug i omkostningseffektiv og miljømæssigt ansvarlig vandspaltning.

Forskerne har offentliggjort deres resultater i Nano Research Energy .

For at få succes i dette kulstofreducerende projekt skal nogle reaktioner stabiliseres for denne proces. Stjernen i undersøgelsen er FeSnCo_0.2 S_x O_y /NF, der både kan fungere som anode og katode i processen med at spalte vand ved lav spænding.

De to bekymringsreaktioner her er oxygenudviklingsreaktioner (OER) og hydrogenevolutionsreaktioner (HER). OER genererer O₂ via en kemisk reaktion fra vand. HER giver H₂ fra en to-elektron overføringsreaktion. Den resulterende H₂ er nyttig som brændstof. Brug af begge disse reaktioner er ideel til at skabe en bifunktionel elektrokatalysator. Elektrokatalysatorer kan defineres som katalysatorer (eller reaktionsstartere), der fungerer ved elektrodeoverflader, som er overflader, der kan føre en elektrisk strøm.

HER har vist sig at være stabil ved 55 timers kontinuerlig brug og kræver også et lavere overpotentiale end OER. Overpotentiale er forskellen i mængden af ​​energi, der skal til for at en given katalysator kan fungere.

Desværre er OER-stabilitet ikke, hvor den skal være. Dette skyldes delvist det ekstra trin, der er involveret i elektronoverførslen, men også fordi de elektrolytter, de fungerer under, typisk er hårde. Mens OER er stabil med kontinuerlig brug på omkring 70 timer, falder dens aktivitet med mere koboltindhold.

"Det er afgørende at forbedre OER-stabiliteten af ​​overgangsmetalsulfider, så de kan bruges som bifunktionelle HER- og OER-katalysatorer til reversible brintbrændselsceller," sagde Jingqi Guan, forfatter og forsker af undersøgelsen.

OER har også et højere overpotentiale end HER. Med en større mængde energi, der er nødvendig for at få katalysatoren til at fungere, kan OER være mere "vanskelig". Kombinationen af ​​jern, tin og kobolt på nikkelskum kan dog prale af en vis forbedring i bifunktionel stabilitet og både HER- og OER-aktivitet.

Kombinationen af ​​disse metaller og de dannede heterostrukturelle grænseflader kan justere fordelingen af ​​elektronerne over elektrolytoverfladen. "Heterostrukturel" refererer her til en halvleder, der kan have en ændret kemisk sammensætning baseret på den position, de to kemikalier er i. I dette tilfælde er det en sulfid/oxyhydroxid-duo.

Jævn fordeling af elektroner hjælper med at øge ladningsoverførselshastigheden gennem hele strukturen, hvilket så fremmer overførslen af ​​elektroner. På grund af denne halvleders natur ville øget stabilitet naturligvis forbedre den samlede aktivitet og funktion.

Samlet set har disse overgangsmetaller en synergistisk effekt på hinanden, især når de gennemgår HER. Denne effekt gør dem til ideelle kandidater til den største udfordring foreslået af forskere:reduktion af kulstofbaserede energikilder.

Selvom resultaterne var meget lovende, er der altid skridt, der kan tages i fremtiden for at perfektionere en proces. At finde en katalysator, der minimerer overpotentialerne, kan reducere det energiinput, der er nødvendigt for at katalysere reaktionen. Derudover er det afgørende for den langsigtede succes for de heterostrukturelle grænseflader at sikre, at de udviklede elektrokatalysatorer er holdbare nok til at blive brugt kommercielt og kan modstå lange timers kontinuerlig brug uden nogen skadelige virkninger.

Flere oplysninger: Siyu Chen et al., Interface engineering af Fe-Sn-Co sulfid/oxyhydroxid heterostrukturel elektrokatalysator til synergistisk vandspaltning, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120106

Leveret af Tsinghua University Press