Ny ædelmetalfri elektrokatalysator reducerer den energi, der kræves til at generere brintgas fra vand

Som brændbart brændstof bidrager afbrænding af brintgas ikke til den globale opvarmning. I dag bliver størstedelen af ​​brintgas genereret fra fossile brændstoffer, og denne proces frigiver drivhusgasser til atmosfæren. Generering af brintgas fra rene kilder, såsom spaltning af vandmolekyler med elektricitet gennem elektrolyse, er vigtig for at opnå fremtidig kulstofneutralitet, men nuværende metoder er ineffektive og begrænser den kommercielle praktiske anvendelighed af brintbaserede teknologier.

En ny elektrokatalysator udnytter forbedret elektrokemisk aktivitet, reaktionsoverfladeareal og holdbarhed til at forbedre effektiviteten af ​​brintgasproduktion via elektrolyse.

Forskere fra Center of Excellence for NaNo Energy &Catalysis Technology (CONNECT), Xiamen University i Malaysia syntetiserede og karakteriserede en effektiv og holdbar vandelektrokatalysator sammensat af overgangsmetallet dichalcogenid wolframdisulfid (WS₂ ), et todimensionelt materiale med halvledende egenskaber, der fungerer som en elektronacceptor eller donor i elektrolysereaktionen.

Elektrokatalysatoren, WS₂ /N-rGO/CC, er skabt på en kulstofklud (CC), der er bundet til reduceret grafenoxid (rGO), en todimensionel gitterhalvleder, kombineret med en meget lille mængde nitrogen (N) for at ændre egenskaberne af den reducerede grafenoxid-halvleder. En hydrotermisk reaktion omdanner todimensional WS₂ til mikroskopiske, tredimensionelle blomsterlignende strukturer kaldet nanoblomster, der øger overfladearealet af elektrokatalysatoren for at forbedre reaktionseffektiviteten.

Holdet offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Nano Research .

"Syntetisering af en selvunderstøttet elektrode til hydrogenudviklingsreaktionen i vandhydrolyse er afgørende, fordi den adresserer en grundlæggende udfordring i ren energiproduktion. Traditionelle metoder er ofte afhængige af dyre katalysatorer og understøtninger, som kan begrænse effektiviteten og skalerbarheden af ​​brintproduktion. Vores arbejde repræsenterer et betydeligt fremskridt ved at skabe en selvunderstøttet elektrode, der ikke kun forbedrer den elektrokatalytiske aktivitet, men som også tilbyder en omkostningseffektiv og bæredygtig løsning til brintgenerering," sagde Feng Ming Yap, hovedforfatter af papiret og kandidatstuderende i School of Energy and Chemical Engineering ved Xiamen University Malaysia i Selangor Darul Ehsan, Malaysia.

Fordi elektrokatalysatorens aktive art, wolframdisulfid, er direkte inkorporeret i elektrodens ledende materialer, WS₂ /N-rGO/CC betragtes som en selvbærende elektrode. Der er ingen polymerbindemidler eller additiver til stede i den syntetiserede elektrokatalysator for at maskere katalysatorens aktive steder eller reducere elektronledningsevnen, hvilket maksimerer reaktionseffektiviteten.

Forskerholdet eksperimenterede med at inkorporere forskellige mængder dimethylformamid (DMF) i den endelige hydrotermiske syntesereaktion for at bestemme den bedste koncentration for den foretrukne metalliske 1T faseovergang af WS₂ for elektroden. Elektroden udviklet ved hjælp af en 50 % koncentration af DMF i vand (50 % WGC) under den sidste hydrotermiske reaktion viste overlegne egenskaber i forhold til elektroder syntetiseret ved hjælp af 0, 25, 75 og 100 % DMF-opløsninger.

"Vores elektrode kan effektivt producere brint under en lang række pH-forhold, hvilket gør den alsidig og tilpasningsdygtig til forskellige praktiske anvendelser. Det er et skridt mod bæredygtig og effektiv brintproduktion, som er afgørende for en renere energifremtid," sagde Wee-Jun Ong, vejleder for projektet og lektor ved School of Energy and Chemical Engineering ved Xiamen University Malaysia.

Det er vigtigt, at 50 % WGC-elektrokatalysatoren overgik platin-benchmark-elektrokatalysatoren, 20 % Pt-C/CC, for HER under både sure og basiske forhold. Specifikt viste 50 % WGC et lavere overpotentiale eller energi, der kræves til at spalte vand, end 20 % Pt-C/CC. Overpotentialet for 50 % WGC var 21,13 mV sammenlignet med 46,03 mV for 20 % Pt-C/CC.

Forskerholdet mener, at mere omkostnings- og energieffektive elektrokatalysatorer, som 50 % WGS, er altafgørende for at nå verdens ren energimål. "Vi sigter efter at udforske skalerbarheden og den praktiske implementering af vores selvunderstøttede elektrodeteknologi. Vores ultimative mål er at bidrage til overgangen til et bæredygtigt energilandskab, hvor brint kan spille en afgørende rolle som en ren og vedvarende energikilde," sagde Ong.

Jian Yiing Loh fra School of Energy and Chemical Engineering og Center of Excellence for NaNo Energy &Catalysis Technology (CONNECT) ved Xiamen University Malaysia i Selangor Darul Ehsan, Malaysia bidrog også til undersøgelsen. Denne forskning er en del af initiativerne i de nationale politikker i Malaysia, nemlig National Energy Transition Roadmap (NETR) og Hydrogen Economy and Technology Roadmap (HETR), for at lette Malaysias bæredygtige energi i de næste fem år.

Flere oplysninger: Feng Ming Yap et al., Synergistisk integration af selvunderstøttet 1T/2H−WS2 og nitrogen-doteret rGO på kulstof til pH-universel elektrokatalytisk hydrogenudvikling, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-6118-8

Journaloplysninger: Nanoforskning

Leveret af Tsinghua University Press