En forskargrupp ledd av professor Sangaraju Shanmugam från energivetenskap och teknik vid DGIST har utvecklat mycket effektiva, ultrahållbar kärna-skal nanostrukturerad elektrokatalysator och framgångsrikt ersatt den dyrbara anoden i vattenelektrolys, genom samarbetet med forskningsgruppen Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Att ersätta konventionella bränslen med förnybara energiresurser är en lämplig metod för att uppnå en miljövänlig miljö och minska framtida energibehov. Således, elektrokemisk energigenerering eller omvandling i anordningar för förnybar energi, som beror på anod- och katodreaktioner, har fått mycket uppmärksamhet.

Vid elektrokatalytisk vattenklyvning, syrgas genereras i anoden på grund av syreutvecklingsreaktionen (OER), en långsam elektrokemisk reaktion jämfört med väteutvecklingsreaktionen (HER). Således, en lämplig elektrokatalysator behövs för stabil elektrokatalytisk vattenuppdelning.

Utveckling av effektiva, hållbar, billiga OER-elektrokatalysatorer är viktiga för energiapparater för vattenelektrolysörer. Tills nu, rutenium- och iridiumoxiderna ansågs vara toppmoderna elektrokatalysatorer i OER, men bristen på stabilitet begränsar deras användning vid storskalig vattenklyvning, hindra en utbredd kommersialisering.

Professor Shanmugams team, tillsammans med forskare från PNNL, har fokuserat på att utveckla ett alternativ till låg kostnad, icke-ädelmetallelektrokatalysator för att ersätta anodelektroden för ädelmetall vid effektiv vattenuppdelning. Kolburen metall anses vara ett effektivt elektrokatalytiskt material för förbättrad OER vid vattenklyvning. Än så länge, de flesta av de utvecklade elektrokatalysatorerna har haft högre kolhalt och mindre innehåll av metallaktivt ämne. Den högre kolmängden fastnade de verkliga metallaktiva platserna, och resulterade i en snabbare kolkorrosionsförhållanden. Detta ledde till lägre elektrokatalytisk aktivitet.

I studien, forskarna fann att ett stort antal oorganiska koboltmetalljoner överbryggade av organiska ligander i det preussiska blått är en lämplig föregångare för att utveckla ultrastabila, metallrik, kvävedopade grafitiska nanokol-inkapslade elektrokatalysatorer med kärna-skal för den tröga OER (anod) vid vattenklyvning.

Vid uppvärmning (600 till 900 grader C) i en inert atmosfär, koboltmetalljonerna och de organiska liganderna i saltet omvandlas till koboltmetall och kvävedopade grafittunna kollager, respektive, som bildar det tunna kolskiktet, inkapslad metallisk, kobolt kärna-skal nanostrukturer (Core-Shell Co@NC). De tunna kolskikten har en stark växelverkan med koboltmetall, som främjar mindre kolkorrosion, uppvisar utmärkt elektronrörelse, och har mer koboltmetallexponering för reaktionsmediet, inklusive bildandet av morfologi i nanostorlek utan partikelaggregation.

Den kombinerade effekten av kol- och koboltmetall i elektroderna ger effektivare elektrokatalytisk OER-aktivitet än ädelmetallelektroder för effektiv vattenklyvning. Därför, den icke-ädelmetallrika elektroden är ett alternativ, aktiva, stabil, och billigare OER-anod för kostnadseffektiv H2-gasproduktion vid vattenelektrolys i kommersiell skala.

"Vi räknar med att detta är ett unikt sätt att utveckla metallrika, nanostrukturer med reducerad kolhalt som har förbättrade metallaktiva platser, som har tunt kollagerskydd och ultrasnabb elektronrörelse i katalysatorytan, som kommer att förbättra den elektrokemiska aktiviteten och stabiliteten hos elektrokatalysatorer, " säger professor Shanmugam. "Vi kommer att utföra uppföljningsstudier som kan användas för att förstå den verkliga OER-mekanismen på den aktiva arten i närvaro av nanokolbeläggning."

Detta forskningsresultat publicerades i onlineupplagan av Avancerade energimaterial den 11 januari 2018, en ansedd internationell tidskrift inom området framväxande material.

Intervju med professor Sangaraju Shanmugam (Institutionen för energivetenskap och teknik):

F. Vilka är skillnaderna jämfört med tidigare studier?

S. I de tidigare studierna, forskarna förberedde de kolbelagda metallerna från olika prekursorer, inklusive metall-organiska ramverk (MOF). De erhållna katalysatorerna uppvisar mer kol med reducerad grafitisk natur, och kolet täckte de aktiva metallställena. Således, de flesta av de aktiva metallställena utnyttjas inte korrekt av de elektrokemiska reaktionerna. Också, på grund av den kraftiga kolkorrosionen, dessa katalysatorer är inte tillräckligt lämpliga för den tröga OER i vattenspjälkning vid den högre positiva potentialen med brist på instabilitet under svåra elektrolytförhållanden. Följaktligen, i det här arbetet, vi förberedde de metallrika, tunna nanokol (NC) lager inkapslad elektrokatalysator av kärna-skal Co@NC nanostrukturer från en enda prekursor preussisk blå (PB) analog. Co@NC visade förbättrad syreutvecklingsaktivitet och ultrastabilitet på strömsamlaren av nickelskum. Övergripande, de tunna och enhetliga kolskikten ger de snabba elektronrörelserna, fler metallaktiva platser utnyttjande med enkel elektrolytpenetrering. Viktigast, det kan skydda de aktiva metallställena från korrosionen med minimal exponering och även den starka interaktionen mellan metall- och kolskikt uppvisar den synergistiska effekten mot den utmärkta aktiviteten och ultrastabiliteten (över 350 timmar) hos kärn-skal Co@NC nanostrukturer med mindre möjlighet till koloxidation.

F. Hur kan det användas?

A. Baserat på den anmärkningsvärda OER-prestanda, kinetik och långtidsstabilitet för kärn-skal Co@NC nanostrukturer jämfört med de senaste ädelmetallbaserade elektrokatalysatorerna, såsom IrO2 och RuO2, it is the most suitable candidate to replace precious metal OER electrodes for reducing the overall cost of the water electrolyzer system. Således, the development of efficient and durable non-noble metal electrocatalyst in water electrolyzer is the main obstacle for successful commercialization of water electrolyzers.

Q. How long will it be required for commercialization?

A. The process is readily available for the fabrication of cost-effective catalysts. But we still have to evaluate the integration of this catalytic system in a polymer electrolyte membrane electrolyzer .Studies are underway to understand the OER mechanism on this electrocatalyst. So for commercialization, it may require a year with complete understanding of activity and stability.

Q. What are the challenges for commercialization?

A. We have to make the uniform coating of this catalyst on the larger size current collectors without any peeling. So we need to find a more suitable coating methodology. Också, as with precious OER electrocatalysts, we have to understand the precise OER mechanism on this electrocatalysts to maintain/avoid activity losses due to the unwanted side reactions, etc.

Q. What is the motivation for your research?

A. The primary motivation of this work is to replace the precious anode in water electrolyzer systems with high activity and stability. So to improve the activity and stability, we tried to introduce the very thin carbon coating on the metal active sites. Övergripande, the development metal-rich and carbon less OER electrocatalysts with proper utilization of metal-active species and metal-carbon synergistic effect to overcome the sluggish anode reaction in water electrolysis.

Q. What is the final goal you would like to achieve through this research?

A. Based on this research, we understand that the metal-rich electrocatalysts are among the most suitable materials for excellent OER activity. So we want to prepare the cheapest anode electrocatalysts by using the same methodology and eliminate the use of precious electrodes in the water electrolyzer system for the production of green and sustainable hydrogen in large scale.