För att lösa energikrisen och miljöfrågor, forskning för att gå bort från fossila bränslen och omvandla till miljövänlig och hållbar väteenergi är på god väg runt om i världen. Nyligen, ett team av forskare vid POSTECH har föreslagit ett sätt att effektivt producera vätebränsle via vattenelektrolys med hjälp av billigt och lättillgängligt nickel som elektrokatalysator, grönt ljus för väteekonomins era.

En POSTECH forskargrupp ledd av professor Jong Kyu Kim och Ph.D. kandidat Jaerim Kim från Institutionen för materialvetenskap och teknik och ett team ledd av professor Jeong Woo Han och Ph.D. kandidat Hyeonjung Jung från Institutionen för kemiteknik har tillsammans utvecklat ett högeffektivt nickelbaserat katalysatorsystem dopat med oxofila övergångsmetallatomer och har identifierat sambandet mellan katalytiska adsorptionsegenskaper och väteutvecklingsreaktion (HER) kinetik i ett alkaliskt medium. Erkända för sin betydelse, dessa forskningsrön presenterades som omslagets framsida Journal of the American Chemical Society .

Bränslecell är en miljövänlig kraftgenererande enhet som producerar elektricitet med hjälp av en kemisk reaktion där syre (O ₂ ) och väte (H ₂ ) producera vatten (H ₂ O). Under denna process, vattenelektrolysreduktion sker som en motreaktion, som dissocierar vatten för att generera vätebränsle. Detta är känt för att vara det mest miljösäkra och hållbara sättet att producera högrent vätgasbränsle i stora mängder. Dock, det har en nackdel med att vara dyr och ineffektiv eftersom det kräver användning av ädelmetaller som elektroder. För att minska enhetskostnaden för vätebränsle som produceras genom vattenelektrolys, det är ytterst viktigt att utveckla mycket aktiva, stabil, och billig elektrokemisk katalysator, kapabla att maximera vätgasproduktionens prestanda.

Till detta, det gemensamma forskarteamet designade en mycket effektiv katalysator genom att kombinera nickel som innehåller mycket jord med en serie oxofila övergångsmetallelement för att optimera adsorptionsförmågan i alkalisk HER. Teamet visade vidare att införlivandet av oxofila dopmedel effektivt kan kontrollera adsorptionsegenskaperna hos ytan av Ni-baserade katalysatorer.

För att ytterligare förbättra HER-aktiviteten hos de Ni-baserade katalysatorerna, forskarna introducerade en unik 3-dimensionell (3-D) nanohelix (NH) array, enkelt tillverkad med en snedvinklad kodpositioneringsmetod, för rikligt med ytaktiva platser, effektiva vägar för avgiftsöverföring, och öppna kanaler för masstransport. De hade framgångsrikt tillverkat mycket aktiv och stabil Cr-inkorporerad Ni NHs-katalysator som visade en utmärkt väteproduktionseffektivitet med reducerad överspänning mer än fyra gånger jämfört med de konventionella nickelbaserade tunnfilmskatalysatorerna.

"Denna forskning är betydelsefull eftersom den ger den vetenskapliga grunden för hög prestanda och kommersialisering av ett hållbart väteenergiomvandlingssystem, " förklarade professor Jong Kyu Kim, motsvarande författare till tidningen. "Kärnbegreppen i designstrategin och experimentell metodik för effektiva bimetalliska elektrokatalysatorer kan tillämpas inte bara på vattenelektrolysatorer, men också till bränsleceller, minskning av koldioxid, och fotoelektrokemiska system. Det förväntas att säkrandet av denna ursprungliga teknik kommer att få betydande ringeffekter och teknisk expansion inom miljöenergisektorn."

Professor Jeong Woo Han, den motsvarande författaren till uppsatsen, Lagt till, "Beräkningskemi har dramatiskt accelererat vattenelektrolysreaktionen genom att snabbt hitta bimetaller som kan kontrollera katalysatorns adsorptionsstyrka för att möjliggöra tillverkning av bimetalliska elektrokatalysatorer med enbart oädelmaterial."