Under det senaste förflutna, Det har skett ett paradigmskifte mot förnybara energikällor för att ta itu med farhågorna kring miljöförstöring och minskande fossila bränslen. En mängd alternativa gröna energikällor som solenergi, vind, hydrotermisk, tidvattens, etc., har fått uppmärksamhet för att minska globala koldioxidavtryck. En av de viktigaste utmaningarna med dessa energigenereringstekniker är att de är intermittenta och inte är kontinuerligt tillgängliga.

"Vi kan inte använda solenergi på natten och vindenergi när det inte blåser. Men vi kan lagra den genererade elen i andra former och använda den när det behövs. Det är så vattenklyvning överbryggar klyftan och har framstått som en mycket lovande energilagringsteknik, sa professor Masayuki Yagi, som forskar om energilagringsmaterial och teknik vid Institutionen för materialvetenskap och teknik, Tekniska fakulteten/Forskarskolan för naturvetenskap och teknik, Niigata universitet. Vattenklyvning är en av de lovande energilagringslösningarna som potentiellt skulle kunna driva världen mot en vätgasdriven ekonomi.

Vattendissociationsprocessen, alternativt känd som artificiell fotosyntes, traditionellt använder elektricitet för att dela vattenmolekylen genom två halvreaktioner i en elektrokemisk cell. Väteutvecklingsreaktionen sker vid katoden där vätebränsle alstras och vattenoxidationen sker vid anoden där andningsbart syre frigörs. Även om vatten är en enkel molekyl som består av endast tre atomer, processen att dissociera den är ganska intensiv och utmanande.

Den initiala energin, känd i vetenskapliga termer som överpotentialen, spelar en avgörande roll för att påverka reaktionens fortskridande. För det material som hittills utforskats, den initiala energin som krävs för att utlösa väteutvecklingen vid katoden och syreutvecklingen vid anoden är så hög att processen eskalerar den totala kostnaden för reaktionen, vari, negativt påverkar dess kommersiella utnyttjande. Detta är särskilt ett stort problem vid anoden eftersom syreutvecklingsreaktionen involverar överföring av fyra elektroner som kräver en högre initial energi jämfört med reaktionen vid katoden.

Prof. Yagis forskargrupp vid Niigata University, i samarbete med forskare vid Yamagata University, undersöker den elektrokatalytiska vattenuppdelningen och för att åtgärda de viktigaste bristerna. De har varit framgångsrika i att utveckla en effektiv vattendissociationsprocess med användning av nickelbaserade nanoföreningar som anoder, som har publicerats i som en vetenskaplig artikel i Energi- och miljövetenskap den 20 maj.

I den här studien, Prof. Yagis team har observerat att den nickelsulfidnanotrådsbaserade anoden har stött reduktionen av initial energi som krävs för syreutvecklingsreaktionen. "Vi har tillverkat anoden med ett unikt motiv av nanotrådar av nickelsulfid stoppade i kolnitridskivor. Kolnitridskivorna förhindrar kärnområdet i NiS _x stavar från att omvandlas till sin oxid, och därmed skydda dem från ytterligare nedbrytning. På ytan av nanotrådarna av nickelsulfid, en tunn oxidfilm bildas på grund av kontakten med elektrolytlösningen, som underlättar syreutvecklingsreaktionen, " förklarade Prof. Yagi.

Forskargruppen har observerat, med hjälp av avancerad mikroskopiteknik och elektrokemiska mätningar, att den tillverkade anoden hjälper till att minska den initiala energin, vilket påskyndar fyra-elektronöverföringsprocessen i syreutvecklingsreaktionen. Forskningsresultatet från Prof. Yagis team har en enorm potential för att förbättra den elektrokemiska cellens långsiktiga prestanda och stabilitet.

Denna forskningsstudie är en viktig milstolpe för att förbättra effektiviteten hos vattenklyvningstekniken. Prof. Yagi sa, "Detta resultat är ett stort genombrott i det elektrokatalytiska vattendelningssystemet och kan utan tvekan bidra till att förverkliga det kolfria mänskliga samhället inom en snar framtid."