Forskare har tagit fram en ny katalysator som syftar till att förbättra effektiviteten av reaktioner som använder förorenat kommunalt avlopp för att producera väte – en grön energikälla.
Deras forskning presenterades nyligen i Advanced Functional Materials .
Med de växande miljöproblemen för föroreningar i samband med fossila bränslen har väte fått ökat intresse. Vattenelektrolysteknik är en hållbar process som utnyttjar jordens rikliga vatten för att producera väte. Emellertid är den samtidiga syreutvecklingsreaktionen under väteproduktion särskilt långsam, vilket resulterar i en avsevärt låg energiomvandlingseffektivitet.
På senare tid har det akademiska samfundet tagit itu med denna fråga genom att integrera ureaoxidationsreaktionen med vätegenereringsreaktionen. Urea, en förorening som finns i urin, frigör en betydande mängd energi under sin oxidationsprocess, vilket erbjuder ett potentiellt sätt att förbättra både effektiviteten av vätegenerering och rening av toalettavloppsvatten.
I slutändan är det nödvändigt att hitta en katalysator som effektivt kan driva ureaoxidationsreaktionen och därigenom förstärka effektiviteten av både vätegenerering och avloppsvattenrening.
I jakten på ökad effektivitet i ureaoxidationsreaktionen skapade teamet en katalysator känd som nickel-järn-oxalat (O-NFF). Denna katalysator kombinerar järn (Fe) och oxalat på nickel (Ni) metall, vilket resulterar i en expansiv yta som kännetecknas av nanometerstora partiklar i fragmentform. Denna unika egenskap gör det möjligt för katalysatorn att adsorbera fler reaktanter, vilket underlättar en accelererad ureaoxidationsreaktion.
I experiment sänkte O-NFF-katalysatorn som tagits fram av teamet framgångsrikt spänningen som krävs för vätegenerering till 1,47 V RHE (vid 0,5 A/cm 2 ) och uppvisade en hög reaktionshastighet även när den testades i en blandad lösning av kaliumhydroxid (1 M) och urea (0,33 M) med en Tafel-lutning på 12,1 mV/dec.
Forskarna validerade ytterligare katalysatorns effektivitet genom att bekräfta dess främjande av ureaoxidationsreaktionen genom fotoelektron/röntgenabsorptionsspektroskopi med hjälp av en strålningsfotonaccelerator.
Professor Kangwoo Cho och Ph.D. kandidat Jiseon Kim från avdelningen för miljövetenskap och teknik vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH) samarbetade med Korea Institute of Science and Technology (KIST) för denna studie.
Cho, som ledde forskningen, sa:"Vi har utvecklat en katalysator som kan rena kommunalt avlopp samtidigt som vi förbättrar effektiviteten av väteproduktion, en grön energikälla. Vi förväntar oss att O-NFF-katalysatorer, syntetiserade från metaller och organiska ämnen, kommer att bidra till den förbättrade effektiviteten av industriell elektrolysproduktion av väte."
Mer information: Jiseon Kim et al, Tillgängligt Ni-Fe-Oxalat-ramverk för elektrokemisk ureaoxidation med radikalt förbättrad kinetik, Avancerade funktionella material (2024). DOI:10.1002/adfm.202315625
Tillhandahålls av Pohang University of Science and Technology
