AC Transit vätebränslecellsbuss. Kredit:Eric Fischer.
Oron för stigande koldioxidhalter i atmosfären och global uppvärmning har gjort det till en miljömässig absolut nödvändighet att ersätta fossila bränslen med renare och mer hållbara alternativ. I detta avseende har väte, en ren energikälla, framstått som en utmärkt potentiell kandidat.
Bland de många metoder som är tillgängliga för vätegenerering är uppdelning av vatten med elektricitet i närvaro av en katalysator - eller elektrokatalytisk vattenuppdelning, som det kallas - den renaste. Tyvärr kräver processen dyra och sällsynta ädelmetallkatalysatorer, såsom platina, för att upprätthålla en rimlig effektivitet. Detta har i sin tur begränsat dess storskaliga industriella tillämpningar.
Ett relativt billigt alternativ är övergångsmetallbaserade katalysatorer, såsom oxider, sulfider, hydroxider av kobolt, nickel, järn etc. Det finns dock en hake:den elektrokatalytiska vattenklyvningen består av två halvreaktioner, nämligen väteutvecklingsreaktionen ( HER) och syreutvecklingsreaktionen (OER). I OER oxideras vattenmolekyler för att bilda syre och positiva vätejoner vid anoden (positivt laddad elektrod). Vätejonerna rör sig sedan över elektrolyten till katoden (den negativt laddade elektroden), där de reduceras för att producera väte (HER). Det visar sig att de flesta övergångsmetallbaserade katalysatorer som hittills rapporterats endast kan katalysera antingen HER eller OER. Detta ger en komplicerad konfiguration och en högre total kostnad.
Mot denna bakgrund utvecklade forskare från Chung-Ang University i Korea, i en ny studie, en ny heterostrukturerad katalysator bestående av ihålig koboltsulfid (CoSx ) och nickel-järn (NiFe) skiktade dubbelhydroxid (LDH) nanoskivor som samtidigt ökar båda halvreaktionerna. Denna artikel gjordes tillgänglig online den 15 mars 2022 och publicerades i volym 18, nummer 16 av tidskriften Small den 16 april 2022.
"En rimlig strategi för att tillverka högeffektiva katalysatorer för vattendelning är att noggrant integrera OER-aktiva NiFe LDH och HER-aktiva katalysatorer i en heterostruktur", förklarar biträdande professor Seung-Keun Park, som ledde studien. "Med tanke på deras höga yta och öppna struktur tros ihåliga HER-katalysatorer vara idealiska för detta jobb. Det visar sig att metall-organiska ramverk (MOF) är en effektiv föregångare för att tillverka ihåliga strukturer. Men en MOF-baserad ihålig katalysator med NiFe LDH har inte rapporterats hittills."
Följaktligen deponerade forskarna elektrokemiskt NiFe LDH nanoskivor på ett kontrollerat sätt på ytan av ihåliga CoSx nanoarrayer stödda på nickelskum. "Integrationen av en aktiv HER-katalysator, CoSx och en OER-katalysator, NiFe LDH, garanterar en överlägsen bifunktionell katalytisk aktivitet", säger Dr. Park.
Och faktiskt, katalysatorn kunde konsekvent leverera en hög strömtäthet på 1000 mA cm -2 i båda halvreaktionerna vid låga cellspänningar, vilket tyder på dess genomförbarhet för vattenuppdelningsapplikationer i industriell skala. Forskarna tillskrev detta till närvaron av gott om aktiva platser på katalysatorns heterostruktur, vilket möjliggjorde elektrolytpenetration och gasfrisättning under reaktionerna. Dessutom visade en elektrolysator baserad på denna katalysator en hög strömtäthet på 300 mA cm -2 vid låg cellspänning och en hållbarhet på 100 timmar i total vattenklyvning.
"De förbättrade elektrokatalytiska egenskaperna hos vår katalysator beror sannolikt på dess unika hierarkiska heterostruktur och synergin mellan dess komponenter. Vi tror att vårt arbete kommer att ta oss ett steg närmare förverkligandet av ett nollutsläppssamhälle", säger Dr. Park. + Utforska vidare
