Nanokompositbaseret elektrokatalysator til alkalisk overordnet vandspaltning ved lav cellespænding til brintproduktion

De aftagende konventionelle energiressourcer baseret på fossile brændstoffer og deres relaterede miljøkonsekvenser har henledt opmærksomheden rundt om i verden mod udviklingen af ​​vedvarende energiressourcer. Disse vedvarende energiressourcer opfylder muligvis ikke hele energibehovet hos verdens massebefolkning; dog begrænser de virkningerne af drivhusgasser samt luftforurening forårsaget af afbrænding af fossilt brændstof. Blandt alternative ressourcer anses brint for at være den reneste energibærer.

Imidlertid eksisterer brint ikke i sin rene tilstand i naturen, som oxygen, og skal fremstilles af brintholdige ressourcer såsom naturgas (methan), kul, biomasse og vand ved reformering, termisk nedbrydning eller elektrolyse. Men produktion af brint fra naturgas, kul og biomasse fører til udledning af drivhusgassen kuldioxid (CO₂ ).

Vi ved, at vand (H₂ O) er lavet af hydrogen- og oxygenatomer; derfor kan havvand være en ubegrænset kilde til brint. Derfor tænkes brint som en mulig erstatning for fossile brændstoffer. Produktion via strøm fra vedvarende energi (ved hjælp af vindkraft, solenergi, vandkraft, bølgekraft eller lignende) betegnes som "grøn brint." I dette scenarie er opsplitning af vand til brint og oxygen ved hjælp af vedvarende elektricitet i en elektrolysator på overfladen af ​​en robust elektrokatalysator en foreslået teknik.

Behov for en robust elektrokatalysator

På trods af fremskridt på området forbliver processen med vandspydning for at producere økonomisk overkommelig grøn brint stadig træg på grund af begrænsninger relateret til effektive elektrokatalysatorer. I teorien deler vandet sig ved 1,23 V. Men i praksis er denne værdi større end 1,5 V (hvilket betyder spild af yderligere energi). Denne minimumsenergi er teoretisk nødvendig for at bryde vandmolekylet. Dyre ædel- og ædelmetalbaserede elektrokatalysatorer, f.eks. Pt, Pd, Au, Rh, Ir osv., bruges i elektrolysatoren til denne proces.

De største problemer, som industrien og eksperterne står over for, er oxidationen af ​​vand for at producere O₂ og stabiliteten af ​​katalysatoren under barske industrielle alkaliske forhold. I det første problem er halvcellereaktionen en op ad bakke reaktion, hvor fire elektroner er involveret, og hvor det meste af energien er påkrævet bortset fra energitabet forbundet med resistiviteten af ​​forskellige komponenter (elektrolyt, forbindelser, katalysator osv.) elektrolysatoren. I det andet problem mister de dyre katalysatorer ofte deres aktivitet på grund af overfladenedbrydning. Under disse forhold kræves en billig og overkommelig, men yderst aktiv og stabil elektrokatalysator til en sådan vandspaltningsreaktion.

Nuværende udvikling

I en nylig undersøgelse har vores team, ledet af Sasanka Deka, designet og udviklet en ny nanokomposit-baseret, yderst effektiv, men stadig omkostningseffektiv elektrokatalysator til overordnet vandopdeling. En nanokomposit er en homogen blanding af to eller flere materialer til stede i nanometerområdet. Den nuværende nanokomposit er en nanoarkitektur baseret på NiCu delegerede nanopartikler på hierarkiske Co nanoark. Vores resultater er offentliggjort i tidsskriftet ACS Catalysis .

De anvendte materialer er billigere end ædelmetallerne, og synteseproceduren er yderst bekvem. Denne nye katalysator blev brugt i en elektrolysator i kaliumhydroxid (KOH) elektrolyt til spaltning af vand. Interessant nok viser systemet spaltning af vand og produktion af brintgas ved hjælp af NiCu/Co-elektrokatalysatoren ved 1,46 V cellespænding. Således er elektrokatalysatoren i stand til at spalte vand ved kun at bruge et husstands 1,5 volt batteri.

Andre nøglepunkter ved NiCu/Co-elektrokatalysatoren er den grønne brintproduktion, der finder sted med industrielt vigtig høj strømtæthed, høj stabilitet (6.000 cyklusser) og holdbarhed (60 timer) af katalysatoren. Den fungerer også på industriel elektrolyttilstand på 30 vægt% KOH-elektrolyt, og den tilbudte cellespænding er meget lavere end for en kommerciel IrO₂ ||Pt/C-katalysator.

Detaljerede eksperimentelle og beregningsmæssige undersøgelser er blevet udført for at forstå årsagen bag denne effektivitet. De bekræftede resultater understøtter vores indledende hypotese om selektiv udvaskning af materialer for at skabe en mere porøs struktur, og brugen af ​​forskellige metalcentre og -former af materialer til udvikling af brint og oxygen.

Sammenfattende har vi udviklet en enkel, men avanceret og omkostningseffektiv metode til at designe en nanokompositbaseret, bifunktionel elektrokatalysator af delegeret NiCu på Co nanoplader, der kan spalte vand ved 1,46 V med stor stabilitet. Vi håber, at vores produkt kan være nyttigt til opskaleringssyntese og kommerciel brug i elektrolysatorer til grøn brintproduktion.

Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.

Flere oplysninger: Ankur Kumar et al, design af nanoarkitektur af NiCu delegerede nanopartikler på hierarkiske co-nanoplader til alkalisk overordnet vandopdeling ved lav cellespænding, ACS-katalyse (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02096

Journaloplysninger: ACS-katalyse

Dr. Sasanka Deka er professor i kemi, University of Delhi. Han fik sin ph.d. grad fra National Chemical Laboratory (NCL-Pune). Han lavede sin postdoktorale forskning fra National Nanotechnology Laboratory, CNR-INFM, Lecce, Italien og Italian Institute of Technology (IIT), Genova, Italien. Han er blevet tildelt TMS Foundation 2008 SHRI RAM ARORA AWARD af Minerals, Metals &Materials Society (TMS), Warrendale, USA; DAE-BRNS Young scientist research award 2011, RSC best oral talk–2015, Institute of Physics (IOP), UK best cited paper-India 2019 og RSC best cited paper in 2020. Dr. Deka har udgivet mere end 75 forskningsartikler i forskellige internationale high impact-tidsskrifter, har tre patenter og har desuden skrevet to bøger og tre bogkapitler udgivet af et internationalt forlag. Han har med succes håndteret adskillige ekstramurale nationale og internationale forskningsprojekter. Hans aktuelle forskningsinteresse beskæftiger sig med syntetisk nanokemi og nye nanomaterialer til energiforskning.