En nyligen genomförd studie, knuten till Sydkoreas Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) har rapporterat en fosfatbaserad elektrokatalysator av Fe ₃ Co(PO ₄ ) ₄ /reducerad grafenoxid (rGO) (1) för OER, som förutspås vara mycket aktiv av densitetsfunktionsteori (DFT).

Det har funnits ett stort intresse för "väte som bryter isär vattenmolekyler för att generera elektricitet" som en miljövänlig energi för att ersätta fossila bränslen. På samma gång, det är viktigt att öka effektiviteten av vattennedbrytningsreaktionen för att använda mindre elektricitet, och billiga högpresterande katalysatorer har utvecklats för att hjälpa de viktiga syrealstrande reaktionerna.

Ett forskarlag, ledd av den framstående professorn Kwang S. Kim vid School of Natural Sciences vid UNIST har rapporterat en fosfatbaserad elektrokatalysator av Fe ₃ Co(PO ₄ ) ₄ /reducerad grafenoxid (rGO) (1) för OER, som förutspås vara mycket aktiv av densitetsfunktionsteori (DFT). Den nya katalysatorn är iögonfallande, med 25 % prestandaförbättring jämfört med kommersiellt tillgängliga dyra katalysatorer.

I vattennedbrytningsreaktionen, väte- och syreproducerande reaktioner inträffar samtidigt. Dock, syregenereringsreaktionen för de två är relativt långsam för att sänka effektiviteten av den totala vattennedbrytningsreaktionen. För att övervinna detta problem, iridiumoxid (IrO₂) och ruteniumoxid (RuO₂) används som katalysatorer för syregenereringsreaktioner för att öka reaktionshastigheten, men de är mindre stabila än utmärkta prestanda. Dessutom, dyra ädelmetaller som iridium och rutenium har den begränsningen att huvudkomponenterna.

Teamet utvecklade en ny syregenererande katalysator som använder billiga material och är mycket effektiv och stabil. Sultan är ett material i vilket järn (Fe), kobolt (Co) och fosforsyra (P) placeras på ett grafenoxidstöd designat av en UNIST kemiforskare. Enligt forskningsinriktningen, Hamilan, en UNIST kemiforskare, använde en superdator för att beräkna material av olika sammansättning som järn och kobolt kunde kombinera med fosforsyra.

I fallet med en fosfatbaserad elektrokatalysator, syreutvecklingsreaktionen sker på järn- och koboltatomer. Fördelningen av elektroner och kemiska bindningar runt dessa atomer bestämmer effektiviteten av syreutvecklingsreaktionen. För de nyutvecklade katalysatorerna, den tillsatta fosforsyran beräknades för att optimera denna fraktion. Teamet syntetiserade dessa teoretiskt förutspådda material och demonstrerade dem experimentellt.

Den nya katalysatorn är mer än 25 % effektivare än kommersiella iridiumoxidkatalysatorer. Katalytisk effektivitet bedöms som "överspänning, " mängden extra elektrisk energi som går in i reaktionen. Iridiumoxid krävde 303 millivolt (mV) för att erhålla en strömtäthet på 100 milliampere (mA) per 1 cm 2 katalysator, men bara 237 mV för den nya katalysatorn. Detta värde ligger nära det teoretiskt förutsagda värdet.

Det nysyntetiserade materialet har utmärkt stabilitet och prestanda. Efter att mer än 5 000 reaktioner inte förändrades nämnvärt strukturellt, och även efter reaktionen under 70 timmar försämrades inte reaktiviteten. Dessutom, grafenoxidstödet som utgör katalysatorn kompenserade för den låga elektriska ledningsförmågan hos järn/kobolt och fosforsyra, som visade bättre reaktivitet.

"Genom denna studie, vi har utvecklat en katalysator som är mycket mer syreproducerande än en dyr kommersiell katalysator och som är flera hundra gånger billigare, ", säger Erkände professor Kim. "Det kommer att vara användbart för att utveckla katalysatorer för olika miljövänliga energimaterial som bränsleceller."

Resultaten av denna forskning har publicerats i novembernumret 2019 av Naturkommunikation .