Ny katalysator reducerer den energi, der kræves til at spalte brintgas fra vand

Brintgas er et rent, vedvarende alternativ til fossile brændstoffer, men de nuværende industrielle produktionsmetoder, der bruges til at producere brint, frigiver kulstof til atmosfæren og forurener miljøet.

En ny katalysator, kulstofforbindelse nikkel-jern-molybdæn-phosphid forankret på nikkelskum (NiFeMo-P-C), har væsentligt reduceret mængden af ​​elektricitet, der kræves til at generere både brint og oxygen fra vand, hvilket giver et rent og effektivt middel til at producere brintgas .

Et team af førende kemiske ingeniører har syntetiseret en omkostningseffektiv og let fremstillet katalysator designet til at sænke mængden af ​​energi, der kræves til elektrolyse af vand, som spalter vandmolekyler til brint og oxygen ved hjælp af elektricitet.

Brint og iltgas spaltes fra vand gennem henholdsvis hydrogenudviklingsreaktionen (HER) og oxygenudviklingsreaktionen (OER). Overgangsmetallegeringen eller blandingen indeholdende mindst ét ​​metal, nikkel-jern-molybdæn (NiFeMo) blev brugt som en katalysator til vandelektrolyse på grund af den ufuldstændige fyldning af elektronorbitaler i overgangsmetalatomer nikkel og jern, hvilket gør den til en ideel elektron donor og acceptor i kemiske reaktioner. Phosphid blev tilsat til katalysatoren for at forbedre korrosionsbestandigheden i en alkalisk eller basisk pH-elektrolytopløsning.

Holdet offentliggjorde resultaterne af deres undersøgelse i Nano Research Energy den 7. juli.

"Brint er anerkendt som det mest ideelle alternativ til fossile brændstoffer på grund af dets høje... energitæthed, høje varmekonverteringseffektivitet og ingen kulstofemission. Men almindeligt anvendte brintproduktionsmetoder i industrien, herunder dampreformering af naturgas og methanol og forgasning af kul, forbruge fossile brændstoffer og forårsage alvorlig forurening af miljøet," sagde Jingjing Tang, vejleder for undersøgelsen og lektor ved Central South University i Changsha, Kina.

"Vandelektrolyse tager vand som råmateriale til at producere højrent brint ved at omdanne elektricitet til kemisk energi, som er en ren og lovende brintproduktionsteknologi," sagde Tang.

Katalysatorer, der blev brugt til at sænke den nødvendige energi til både HER og OER, eksisterede tidligere, men brugte platin og iridiumoxid, værdifulde elementer, der både er dyre og mangelfulde. At skabe en overkommelig katalysator, der sænker aktiveringsenergien for begge reaktioner, reducerer de samlede produktionsomkostninger og forbedrer den kommercielle levedygtighed af ren brintgasproduktion.

En udfordring ved at designe en bifunktionel katalysator var de særlige krav til OER. "Fordi OER er en fire-elektron-overførselsreaktion med træg kinetik, klarer den sig generelt bedre i alkalisk opløsning. Det var afgørende at forske i ikke-ædle, metalbaserede elektrokatalysatorer med fremragende bifunktionel ydeevne i en alkalisk elektrolyt," sagde Tang. Holdet skabte legeringen og metalphosphidet for at opretholde katalysatorintegriteten under disse alkaliske forhold.

For at teste sammensætningen og valenstilstanden af ​​den genererede NiFeMo-P-C-katalysator udsatte holdet forbindelsen for røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) måling for at bekræfte tilstedeværelsen af ​​Ni, Fe, Mo, P, C og O. opløsningsspektrum af nikkel identificerede også 2p3/2 og 2p1/2 spin-baner, som refererer til elektronernes tilstand i katalysatorens nikkelatomer.

Samlet set kræver den nyudviklede NiFeMo-P-C elektrokatalysator meget lave overpotentialer eller energi, der kræves for at spalte vand, for HER (87 mV for at opnå en strømtæthed på 10 mA·cm ^–2 ) og OER (196 mV for at opnå en strømtæthed på 10 mA·cm ^–2 ). Cellespændingen eller forskellen i spænding mellem to elektroder, der kræves til vandelektrolyse ved brug af katalysatoren, er også kun 1,50 V ved 10 mA·cm ^–2 .

Holdet er optimistisk om, at deres opdagelse vil gøre ren brintproduktion til en realitet. "I modsætning til de fleste bifunktionelle katalysatorer kan NiFeMo-P-C opnå fremragende katalytisk ydeevne uden komplicerede forberedelsestrin og komplicerede nanostrukturer. Desuden gør den overlegne holdbarhed uden nogen [spændings] dæmpning inden for 50 timer ... NiFeMo-P-C til et ideelt [ikke-ædelmetal] katalysator] kandidat... til brintproduktion i stor skala," sagde Tang.

Andre bidragydere omfatter Xiangyang Zhou, Tingting Yang, Ting Li, Youju Zi, Sijing Zhang, Lei Yang, Yingkang Liu og Juan Yang fra School of Metallurgy and Environment ved Central South University i Changsha, Kina.

Flere oplysninger: Xiangyang Zhou et al., In-situ fremstilling af kulstofforbindelse NiFeMo-P forankret på nikkelskum som bifunktionel katalysator til at øge den samlede vandopdeling, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120086

Leveret af Tsinghua University Press