Nanonåle dannet på en elektrokatalysator forbedrer brintproduktionen

Den billige, effektive produktion af brint er et vigtigt skridt i retning af at udvikle alternative, rene energikilder. Elektrokemisk vandopdeling, som spalter vand i dets brint- og oxygenelementer ved hjælp af en elektrokatalysator, er en levedygtig mulighed for at producere brint. Traditionelt har katalysatorer været baseret på kostbare elementer såsom platin, hvilket gør det vanskeligt at anvende denne teknologi i en udbredt, kommerciel skala.

I et nyligt offentliggjort papir demonstrerede forskere, hvordan tilsætning af molybdæn til en nikkel-koboltphosphidkatalysator og syntetisering af den med en gradient hydrotermisk proces, hvor katalysatoren opvarmes til 100 grader, 150 grader og derefter 180 grader Celsius over 10 timer, en unik mikrostruktur, der forbedrede ydeevnen af ​​katalysatoren, hvilket resulterede i brintproduktion, der kunne være mere anvendelig til brintproduktion i stor skala.

Artiklen blev offentliggjort i Nano Research .

"Den innovative kombination af gradient hydrotermiske og phosphideringsprocesser danner en mikrosfærestruktur," sagde Yufeng Zhao, professor ved College of Sciences &Institute for Sustainable Energy ved Shanghai University i Shanghai, Kina.

"Disse nanopartikler med en diameter på ca. 5 til 10 nanometer danner nanonåle, som efterfølgende selv samles til en sfærisk struktur. Nanonålene tilbyder rigelige aktive steder for effektiv elektronoverførsel, og tilstedeværelsen af ​​små partikler og mikroskala ruhed øger frigivelse af brintbobler."

For at skabe denne unikke mikrostruktur brugte forskere en teknik kaldet elementdoping. Elementdoping er bevidst tilsætning af urenheder til en katalysator for at forbedre dens aktivitet. I denne undersøgelse blev molybdæn (Mo) tilsat det bimetalliske nikkel-cobolt (Ni-Co) phosphid (P).

Ni-Co-phosphider har allerede enestående elektrokatalytisk ydeevne på grund af den måde, kobolt- og nikkelionerne interagerer på. Efter tilsætning af molybdæn og derefter anvendelse af en gradient hydrotermisk proces, blev den Mo-doterede Ni-CoP aflejret på et nikkelskum. Efter denne proces dannedes den unikke mikrostruktur af nanonåle på fosfidet.

"Spormolybdæn-doping optimerer den elektroniske struktur og øger antallet af elektroaktive steder," sagde Zhao. Den Mo-dopede Ni-CoP-katalysator blev testet for pålidelighed, stabilitet og ydeevne. Dens tæthed forblev næsten konstant efter 100 timer, og dens struktur var velholdt, delvist takket være den unikke struktur af nanonålene, som forhindrer katalysatoren i at kollapse, når brint akkumuleres. Beregninger viste også, at phosphidkatalysatoren var usædvanlig effektiv.

Når man ser fremad, håber forskerne at teste reaktionens ydeevne i forskellige opløsninger, såsom sure og neutrale opløsninger. Fremtidige undersøgelser vil også se på alternativer til nikkelskum, såsom titanium mesh, der kan fungere på tværs af pH-området. "I fremtidigt arbejde anbefaler vi at undersøge anvendelsen af ​​katalysatoren i oxidationsassisteret brintproduktion af små molekyler, såsom urinstof. Denne tilgang vil reducere overpotentialet for vandelektrolyse og afbøde miljøforurening forårsaget af urinstofspildevand," sagde Zhao.

Flere oplysninger: Chengyu Huang et al., Meget effektiv og stabil elektrokatalysator for brintudvikling ved hjælp af molybdæn-doterede Ni-Co phosphid nanonåle ved høj strømtæthed, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5892-7

Journaloplysninger: Nanoforskning

Leveret af Tsinghua University Press