Holdbar, billig elektrokatalysator genererer rent brint og ilt fra vand

En ny elektrokatalysator lavet af nikkel (Ni), jern (Fe) og silicium (Si), der reducerer mængden af ​​energi, der kræves for at syntetisere H₂ af vand er blevet fremstillet på en enkel og omkostningseffektiv måde, hvilket øger anvendeligheden af ​​H₂ som en ren og vedvarende energi i fremtiden.

Brint er en meget brændbar gas, der kan hjælpe verden med at nå sine mål for ren energi, hvis den fremstilles på en miljømæssigt ansvarlig måde. Den primære hindring for at skabe brintgas fra vand er den store mængde energi, der kræves til elektrolyse af vand, eller spaltning af vandmolekyler til brintgas (H₂ ) og oxygen (O₂ ).

Mest H₂ produceret i dag er afledt af fossile brændstoffer, som bidrager til den globale opvarmning. Fremstilling af H₂ fra vand gennem hydrogenudviklingsreaktionen (HER) kræver brug af en katalysator eller et middel, der sænker mængden af ​​energi, der kræves til en kemisk reaktion. Indtil for nylig var disse katalysatorer opbygget af sjældne jordarters metaller, såsom platin, hvilket reducerede omkostningseffektiviteten og anvendeligheden af ​​ren brintproduktion.

En gruppe materialeforskere fra Dalian University of Technology i Dalian, Kina fremstillede en elektrokatalysator eller en katalysator, der bruger elektricitet, ved at bruge billige materialer og metoder til effektivt at reducere den energi, der kræves for at generere ren H₂ fra vand. Det er vigtigt, at ferri-nikkel silicid (FeNiSi) legeringen eller blandingen også reducerer den energi, der kræves for at generere O₂ fra vand, hvilket gør katalysatoren bifunktionel.

Forskerne offentliggjorde deres undersøgelse i Nano Research Energy .

"Det, der virkelig begrænser udviklingen og den praktiske anvendelse af vandelektrolyseteknologi, er elektrokatalytiske materialer. På nuværende tidspunkt er almindelige katalysatorer, såsom ædelmetaller... for det meste enkeltfunktionskatalysatorer, hvilket begrænser den praktiske anvendelse af vandelektrolyse til brintproduktion. Derfor forskning og udvikling af effektive, stabile, billige og miljøvenlige bifunktionelle elektrokatalytiske materialer er et primært mål inden for elektrokatalyse," sagde Yifu Zhang, seniorforfatter af undersøgelsen og forsker ved School of Chemistry ved Dalian University of Technology.

Overgangsmetal silicidlegeringer er unikke forbindelser, der almindeligvis anvendes i energirelaterede områder, er billigt produceret og viser lovende som potentielle vandhydrolyseelektrokatalysatorer. Disse legeringer er fremstillet af overgangsmetaller, som er fremragende katalysatorer, der frit donerer og accepterer elektroner i kemiske reaktioner, og Si-atomer, som forbedrer stabiliteten, varmebestandigheden og tilgængeligheden af ​​legeringsovergangsmetalatomer, når der påføres elektricitet.

Fe og Ni, to overgangsmetaller, er velegnede til brug i et overgangsmetalsilicid til vandspaltning. "Nikkelsilicid er blevet ... dybt undersøgt for dets lave modstand og høje metalaktivitet, især ... inden for elektrokemiske områder. Derudover har mange nyere undersøgelser vist, at Fe-Ni-baserede materialer har et betydeligt potentiale inden for elektrokemisk vandspaltning. Målet af dette arbejde var at udvikle en billig, miljøvenlig rute til fremstilling af jernnikkelsilicid som en bifunktionel elektrolytisk vandkatalysator (EWS),« sagde Zhang.

Forskerholdet fremstillede FeNiSi i to trin. Først blev naturlig lermagadiit, en kilde til silicium, jernchlorid og nikkelchlorid opvarmet under tryk for at skabe et ferri-nikkel-silikat. Jern-nikkel-silicatet blev derefter kombineret og opvarmet med magnesium og natriumchlorid (bordsalt) for at udvikle den ordnede struktur af FeNiSi-legeringen. Det er vigtigt, at dette var første gang, en metallisk silicidlegering var blevet fremstillet ved hjælp af denne type kemisk reaktion med metalliske silikater som reaktionsmateriale.

Elektronmikroskopi og røntgenkarakteriseringsteknikker afslørede, at fremstillingsprocessen skabte mange porestrukturer i den endelige FeNiSi-legering, hvilket øgede dens overfladeareal og overordnede elektrokatalytiske ydeevne. FeNiSi-legeringen sænker det nødvendige potentiale for at spalte ilt og brint fra vand med henholdsvis 308 mV for oxygenudviklingsreaktionen (OER) og 386 mV for HER, ved en strøm på 10 mA·cm ⁻² . Elektrokatalysatoren viste også tilstrækkelig holdbarhed efter 15 timers brug.

Forskerholdet ser frem til, at FeNiSi og andre overgangsmetalsilikater bidrager til syntesen af ​​ren brintgas til fremtidige energibehov.

"Dette arbejde giver ikke kun en nem metode til syntese af intermetallisk silicid med betydelige porøse strukturer, men gør det også muligt at betragte det intermetalliske silicid som en bifunktionel elektrokatalysator for EWS. Lavpris og effektive intermetalliske silicidelektrokatalysatorer vil give nye muligheder for... vedvarende energiomdannelse," sagde Zhang.

Andre bidragydere omfatter Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao og Xueying Dong fra School of Chemistry ved Dalian University of Technology i Dalian, Kina; Changgong Meng fra School of Chemistry og College of Environmental and Chemical Engineering ved Dalian University of Technology; og Chi Huang fra College of Chemistry and Molecular Sciences ved Wuhan University i Wuhan, Kina.

Flere oplysninger: Xuyang Jing et al., Intermetallisk ferri-nikkel-silicidlegering afledt af magadiit ved magnesioterm reaktion som bifunktionel elektrokatalysator til overordnet vandspaltning, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120104

Leveret af Tsinghua University Press