Vattenelektrolysprocess är ett system som producerar väte genom att elektrolysera vatten. Det är en miljövänlig teknik som kan producera vätebränsle, en framtida energikälla, utan att släppa ut miljöföroreningar, men dess begränsningar inkluderar låg väteproduktionseffektivitet och höga produktionskostnader. Ett team av forskare från Pohang University of Science and Technology (POSTECH) har publicerat forskning i Advanced Materials som löste båda problemen på en gång.
Ett samarbetande forskarlag bestående av professor Jong Kyu Kim, Jaerim Kim, en doktorand, professor Yong-Tae Kim och doktor Sang-Mun Jung från institutionen för materialvetenskap och teknik vid POSTECH har lyckats utveckla en ekonomisk och effektiv vattenelektrolyskatalysator som övervinner begränsningarna hos konventionella katalysatorer genom att använda en snedvinkelavsättningsmetod och nickel (Ni).
Vattenelektrolysprocesserna använder kostsamma ädelmetaller som platina som katalysatorer för väteproduktion, vilket gör processen alltför kostsam. Dessutom resulterar användningen av konventionella tunnfilmskatalysatorer ofta i otillräcklig separation av vätebubblor, vilket leder till blockeringar i katalysatorns aktiva platser eller hindrar reaktantrörelser, vilket i slutändan minskar processeffektiviteten.
Som svar på dessa utmaningar valde forskargruppen snedvinkelavsättning och nickel. Denna teknik involverar lutning av substratet under deponering för att enkelt skapa olika nanostrukturer av materialet, vilket erbjuder en enkel och billig lösning. Dessutom utmärker sig nickel som en riklig oädelmetallkatalysator på jorden, vilket visar relativt hög effektivitet vid vätegenerering.
Teamet använde en metod för avsättning med sned vinkel för att syntetisera nickel med fint utformade, vertikalt inriktade nanorods-utsprång. I motsats till konventionella nanostrukturer som bara förstärker katalysatorns ytarea, konstruerade forskarna mycket porösa nickel nanorods, som presenterar en unik superaerofob ytegenskaper för att lösa vätevidhäftningsproblemen.
Experimentella resultat visade att vätebubblor som genererades under elektrolysprocessen uppvisade den accelererade separationen av vätebubblor från den superaerofoba ytan. Teamets superaerofoba tredimensionella nickel nanorods-katalysator, med effektiva porkanaler, visade en anmärkningsvärd 55-faldig förbättring av väteproduktionseffektiviteten jämfört med en motsvarande mängd nickel i en traditionell tunnfilmsstruktur.
Professor Jong Kyu Kim och Ph. D. Jaerim Kim, som leder forskningen, förklarade:"Genom att förbättra effektiviteten av vattenelektrolysprocessen för produktion av grönt väte, går vi framåt mot en väteekonomi och ett kolneutralt samhälle. Detta genombrott inte gynnar bara vattenelektrolys men lovar också olika andra förnybara energitillämpningar där ytreaktioner spelar en avgörande roll, såsom koldioxidreduktion och ljusenergiomvandlingssystem."
Mer information: Jaerim Kim et al., Effektiv alkalisk väteutvecklingsreaktion med superaerofoba Ni-nanoarrayer med accelererad H2-bubbelfrisättning, avancerat material (2023). DOI:10.1002/adma.202305844
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Pohang University of Science and Technology
