En grupp forskare vid Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) och Xiamen University har avslöjat nya förståelser för hur ytruteniumatomer kan förbättra väteutvecklingen och oxidationsaktiviteterna hos platina. Denna upptäckt öppnar en ny plats för rationell design av mer avancerade katalysatorer för applikationer för elektrolysatorer och bränsleceller.

Väte är en ren energibärare som inte innehåller kol. Man tror att det spelar en viktig roll i vårt framtida hållbara samhälle. Väte kan produceras från vatten via väteutvecklingsreaktionen (HER) i en elektrolysator genom att använda förnybar energi, och förbrukas via en väteoxidationsreaktion (HOR) i en bränslecell för att generera elektricitet. Tyvärr, dessa två reaktioner är välkända kinetiskt tröga i alkaliska medier, även på de mest aktiva platinakatalysatorerna. De långsamma reaktionshastigheterna begränsar effektiviteten hos dessa två elektrokemiska anordningar och hindrar deras breda användning. Det har varit känt att reaktionshastigheterna för HER/HOR på platina kan förbättras genom ytmodifiering eller legering med rutenium. Dock, mekanismerna för denna marknadsföring har diskuterats i över decennier. En del av orsakerna är en brist på direkt observation av beteenden hos väteatomer på katalysatorernas ytor.

För att avslöja gåtan om höga HER/HOR-aktiviteter på platina-rutenium bimetalliska katalysatorer, ett forskargrupp som leds av prof. Minhua Shao, Institutionen för kemisk och biologisk teknik och energiinstitut vid HKUST, nyligen applicerat den kraftfulla ytförstärkta infraröda absorptionsspektroskopin (SEIRAS) för att direkt övervaka bindningsstyrkan hos den viktiga reaktionsmellanprodukten, väteatomer på olika ytor. Genom den kombinerade elektrokemiska spektroskopisk, och teoretiska studier bekräftade de att ytruteniumatomerna interagerade med underytans platina är en storleksordning mer aktiv än platina, d.v.s. rutenium istället för platinaatomer är de viktigaste aktiva platserna i detta system.

"Tidigare verk använde främst konventionella elektrokemiska och karakteriseringstekniker, som inte direkt kan övervaka adsorptionsbeteendet för vätereaktionsmellanprodukter. I det här arbetet, vi använder den kraftfulla ytförstärkta infraröda absorptionsspektroskopin, som är bland de få tekniker som direkt kan "se" ytväteatomer, och ger oss mer enkel information om hur rutenium förbättrar aktiviteten ", säger prof. Shao." Detta arbete utesluter den mest utbredda teorin om att den bifunktionella effekten på gränssnittet mellan platina och rutenium är orsaken till ökad aktivitet, och öppnar nya riktningar för framtida design av mer avancerade HER/HOR -katalysatorer, vilket följaktligen kan minska användningen av ädelmetaller i både vattenelektrolysatorer och vätebränsleceller. "

Detta arbete är en del av det nystartade projektet Collaborative Research Fund som leds av prof. Shao "Utveckling av högpresterande och långlivade alkaliska membranbränsleceller, "och utgör en viktig undersektion av grundforskning till hela detta projekt. Följande arbeten pågår för att utveckla praktiska och högpresterande bimetalliska platina-ruteniumelektrokatalysatorer baserat på dessa fynd pågår.

Denna studie publicerades nyligen i Naturkatalys med rubriken "Rutheniums roll för att förbättra väteoxidationens och kinetiken för väteoxidation och utvecklingsreaktioner av platina."