Transmissionselektronmikroskopi (TEM) av den katalytiskt aktiva fasen kombinerades med energidispersiv röntgenspektroskopi för att kartlägga fördelningen av Ni (grönt), Si (blått) och syre (rött) runt kärn-skalstrukturerna. Kredit:P. Menezes /HZB/TU Berlin
Elektrolys kan vara ett bekant koncept från kemilektionerna i skolan:Två elektroder sänks ned i vatten och sätts under spänning. Denna spänning gör att vattenmolekyler bryts ner i sina komponenter, och gasbubblor stiger vid elektroderna:Syrgas bildas vid anoden, medan vätebubblor bildas vid katoden. Elektrolys skulle kunna producera väte i en CO2 -neutralt sätt - så länge som den nödvändiga elektriciteten genereras av fossilfria energiformer som sol eller vind.
Det enda problemet är att dessa reaktioner inte är särskilt effektiva och extremt långsamma. För att påskynda reaktionerna används katalysatorer, baserade på ädla och sällsynta metaller som platina, rutenium eller iridium. För storskalig användning måste emellertid sådana katalysatorer bestå av allmänt tillgängliga och mycket billiga element.
Kemiskt inducerade nanostrukturer
För att påskynda syreutvecklingsreaktionen vid anoden anses nickelbaserade material vara goda kandidater. Nickel är resistent mot korrosion, knappast giftigt och dessutom billigt. Hittills har dock energikrävande högtemperaturprocesser mest använts för att producera nickelbaserade katalysatormaterial.
Ett team ledd av Dr. Prashanth Menezes (HZB/TU Berlin) har nu hittat ett "mjukt kemiskt" sätt att producera en effektiv katalysator baserad på intermetalliska nanokristaller av nickel-kisel.
"Vi kombinerade grundämnet nickel med kisel, det näst vanligaste grundämnet i jordskorpan, och uppnådde nanostrukturering via en kemisk reaktion. Det resulterande materialet har utmärkta katalytiska egenskaper", säger Menezes. Det kristallina Ni2 Si tjänade som en förkatalysator för den alkaliska syreutvecklingsreaktionen vid anoden och genomgår ytomvandling för att bilda nicke(oxi)hydroxid som en aktiv katalysator under driftförhållanden. Anmärkningsvärt nog parades vattenelektrolysen ytterligare med mervärdesorganisk oxidationsreaktion där elektrosyntes av industriellt värdefulla nitrilföreningar producerades från primära aminer med selektiv och fullständig omvandling under milda förhållanden. Sådana elektrosyntetiska metoder kan öka vätegenereringen vid katoden och kan samtidigt ge tillgång till värdefulla industriprodukter vid anoden.
Effektivare och stabilare
Jämfört med moderna katalysatorer baserade på nickel, kobolt, järn, rutenium och iridium, den nanoporösa Ni2 Si är betydligt mer aktivt och förblir stabilt under längre reaktionstid vid industriella förhållanden. För att förstå beteendet hos Ni2 Mer detaljerat kombinerade teamet olika mätmetoder, inklusive elementaranalyser, elektronmikroskopi och moderna spektroskopiska mätningar vid BESSY II. "I framtiden skulle även industriella alkaliska vattenelektrolysörer kunna utrustas med en beläggning av denna nanoporösa nickelsilicid", säger Menezes.
Forskningen publicerades i Advanced Energy Materials . + Utforska vidare
