Laser-induceret hydrotermisk vækst til elektrokatalytiske applikationer

I den nye undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet International Journal of Extreme Manufacturing den 1. november 2023 rapporterede forskere fra Storbritannien og Kina om en ny teknik baseret på en laser-induceret hydrotermisk reaktion (LIHR) mekanisme til vækst af binær metaloxid nanoarkitektur og lagdelte dobbelthydroxider på nikkelskum til elektrokatalytiske applikationer.

Storskala elektrokemisk produktion af brint fra vandspaltning kræver udvikling af elektrokatalysatorer for at overvinde de kinetiske energibarrierer for hydrogenudviklingsreaktion (HER) og oxygenudviklingsreaktion (OER). Elektrokatalysatorerne skal være aktive, stabile og lave omkostninger.

Blandt forskellige kandidater har ikke-ædle nikkel-baserede katalysatorer, især Ni-Mo-katalysatorer, opnået udbredt anerkendelse for alkaliske HER og lagdelte dobbelthydroxider (LDH'er) baseret på overgangsmetaller (Fe, Co, Ni) til OER-katalysatorer i alkaliske medier .

Disse elektrokatalysatorer syntetiseres dog sædvanligvis ved hydrotermiske eller solvotermiske metoder, hvilket kræver autoklaver og opløsningsmidler, og de er også tidskrævende og kræver høj energitilførsel.

For at løse disse udfordringer udviklede holdet, som var banebrydende inden for lasersyntesen af ​​elektrokatalysatorer, denne alternative vej til konventionel hydrotermisk behandling ved laserbestråling af et substrat nedsænket i en væske indeholdende metalsaltprækursorer.

Når laserstråleinteraktionen ved grænsefladen mellem væsken (indeholdende Ni/Mo- eller Fe/Ni-prækursorer) og nikkelsubstrat genererer en tilstand med høj temperatur og højt tryk, som opfylder kravet om metaloxidvækst på substratet, vil væksten af NiMoO₄ nanoplader eller NiFe-lag dobbelthydroxid forekommer på nikkelskum gennem den hydrotermiske reaktionsmekanisme.

Den første forfatter, Dr. Yang Sha, fra University of Manchester, sagde:"Sådanne nanostrukturer produceret af LIHR udviser fremragende katalytisk aktivitet til overordnet vandopdeling, og endnu vigtigere, med overlegen holdbarhed under en industriel strømtæthed, for størstedelen af rapporterede katalysatorer og kommercielle ædelmetalkatalysatorer. Derudover forbedrer LIHG produktionshastigheden med over 19 gange, men bruger kun 27,78 % af den samlede energi, der kræves af konventionelle hydrotermiske metoder for at opnå den samme produktion."

Professor Zhu Liu, fra det kinesiske videnskabsakademi, Ningbo Institute of Material Technology and Engineering, kommenterede:"LIHR blev første gang rapporteret i 2013 af Yeo et al. for at producere lokale ZnO nanotråde gennem fototermiske reaktioner. Denne teknik er hurtig, alsidig, skalerbar , og omkostningseffektiv, hvilket muliggør direkte syntese af metaloxidnanostrukturer."

"Denne teknik er imidlertid blevet understuderet godt, og dens potentielle anvendelser er endnu ikke blevet undersøgt. Vi håber, at denne undersøgelse tilbyder en ny vej til hurtig syntese af fritstående elektrokatalytiske elektroder. Vi fortsætter med at udvide dens anvendelser, herunder LIHR-væksten af nanostruktureret metaloxid (ZnO, SnO₂ ) tyndfilm til perovskit-solceller."

Flere oplysninger: Yang Sha et al., Mod en ny vej til hurtig syntese af elektrokatalytiske elektroder via laserinduceret hydrotermisk reaktion til vandspaltning, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ad038f

Leveret af International Journal of Extreme Manufacturing