Struktur av NaCo(PO3)3metafosfat med en utökad vy av de hörndelande [CoO6] oktaedrarna och [PO4] tetraedrarnas byggstenar. Kredit:Indian Institute of Science
I ett betydande steg mot storskalig väteproduktion, forskare vid Indian Institute of Science (IISc) har utvecklat en lågkostnadskatalysator som kan påskynda klyvningen av vatten för att producera vätgas.
Att klyva vatten med el är en mycket utforskad metod för att generera vätgas, en länge eftertraktad ren kraftkälla för bränsleceller, batterier och nollutsläppsfordon. En av två stora reaktioner som är involverade i denna process - kallad Oxygen Evolution Reaction - är notoriskt långsam, begränsar den totala effektiviteten. Forskare har fokuserat på att utveckla bättre katalysatorer — material som kan påskynda reaktionen samtidigt som de förblir neutrala. De mest effektiva katalysatorerna idag är gjorda av ädelmetaller som rutenium och platina, som är både dyra och sällsynta.
Ett IISc-team har nu utvecklat en lågkostnadskatalysator genom att kombinera koboltoxid med fosfatsalter av natrium. Materialkostnaden är över tvåhundra gånger billigare än den nuvarande avancerade ruteniumdioxidkatalysatorn, och reaktionshastigheten är också snabbare, säger Ritambhara Gond, Doktorand vid Materialforskningscentrum (MRC), IISc, vem är den första författaren till tidningen publicerad i Angewandte Chemie .
"Detta material kan vara mycket användbart för storskaliga applikationer i många enheter som metall-luftbatterier, bränsleceller, etc., " hon säger.
Studien leddes av Prabeer Barpanda, biträdande professor vid MRC, IISc, och utförs i samarbete med forskare vid Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research (JNCASR).
Experimentell uppställning som visar frigöring av O2-gaser som bubblor under OER-förhållandena (syreutvecklingsreaktion) omgivna av en streckad ellips för att betona O2-utvecklingen. Bädd av kol med kristallint metafosfatmaterial visas också med en gul pil som är den katalysator som rapporteras för första gången för OER. Upphovsman:Indian Institute of Science
När vatten delas med elektricitet i närvaro av en katalysator, väteatomer tar emot elektroner från en elektrod för att bilda vätgas, medan vid motsatt elektrod, syrgas frigörs (Oxygen Evolution Reaction). Forskare har till stor del fokuserat på att påskynda den senare reaktionen. Katalysatorer gjorda av platina- eller ruteniummetaller är de mest effektiva på detta, eftersom de slösar minst energi, och reaktionshastigheterna är högre. Deras kostnad och brist, dock, hindrar deras storskaliga tillämpning.
För att utveckla billiga alternativ, IISc-teamet vände sig till salter som kallas metafosfater, som tidigare har testats för energilagringstillämpningar men inte för katalys. Forskarna rostade natriummetafosfat och koboltoxid i närvaro av argongas i en ugn utan syre. Detta skapade ett "ark" av delvis bränt kol på vilket kristaller gjorda av koboltoxid inramade av natriummetafosfat spreds ut.
"Metafosfaterna bildar en stark ram och håller dessa koboltoxider intakta, uppvisar hög stabilitet efter den katalytiska aktiviteten, "säger Gond. Detta skulle göra det möjligt för katalysatorn att behålla sin aktivitet under flera cykler, leder till långvarig hållbarhet. Närvaron av kolbädden ökade också katalysatorns konduktivitet, och därför dess effektivitet, hon säger.
Jämfört med andra katalysatorer, forskarna fann att strömtätheten - ett mått på hur snabbt reaktionen kan ske - var högre för deras katalysator än till och med ruteniumdioxid, indikerar överlägsen katalytisk aktivitet.
"Vi planerar nu att testa den här katalysatorn i metall-luftbatterier och vattenuppdelningsanordningar, säger Gond.
