Elektrolys är en process som använder elektricitet för att skapa väte- och syremolekyler från vatten. Användningen av protonbytesmembran (PEM) och förnybar energi för vattenelektrolys anses allmänt vara en hållbar metod för väteproduktion. En utmaning med att utveckla PEM-vattenelektrolystekniken är emellertid bristen på effektiva, billiga och stabila katalysatorer för syreutvecklingsreaktion (OER) i sura lösningar under PEM-vattenelektrolys.
Medan iridiumbaserade katalysatorer är en potentiell lösning, är metalliskt iridium sällsynt och dyrt i naturen. Alternativt, oxider av rutenium (RuO2 ) erbjuder ett mer prisvärt och reaktivt alternativ, men de lider också av stabilitetsproblem. Därför undersöker forskare sätt att förbättra stabiliteten hos RuO2 struktur för att utveckla lovande OER-katalysatorer för framgångsrik implementering av teknik för väteproduktion.
Nu, i en nyligen publicerad studie publicerad i Journal of Energy Chemistry , en grupp forskare, ledda av professor Haeseong Jang från Institutionen för avancerad materialteknik vid Chung-Ang University, har utvecklat en lovande OER-katalysator.
Betecknas som SA Zn-RuO2 katalysatorn innefattar RuO2 stabiliseras av enstaka zinkatomer. Prof. Jang utvecklar sin studie och säger:"Vi motiverades av behovet av att hitta effektiva och kostnadseffektiva alternativa elektrokatalysatorer för OER i PEM-vattenelektrolys. Baserat på vår studie föreslår vi en dubbelteknikstrategi som involverar enatoms Zn-dopning. och införandet av syrevakanser för att balansera hög katalytisk aktivitet med stabilitet under sur OER."
Forskarna syntetiserade SA Zn-RuO2 genom att värma upp ett organiskt ramverk med rutenium (Ru) och zinkatomer, bilda en struktur med syrevakanser (saknade syreatomer som positivt förändrar egenskaperna) och Zn-O-Ru-kopplingar.
Dessa kopplingar stabiliserar katalysatorn på två sätt:genom att stärka Ru-O-bindningarna och tillhandahålla elektroner från zinkatomer för att skydda rutenium från överoxidation under OER-processen. Dessutom sänker den förbättrade elektroniska miljön runt ruteniumatomerna energierna som behövs för att molekyler ska fastna på ytan, vilket sänker energibarriären för reaktionen.
Den resulterande katalysatorn var mer stabil, utan något uppenbart fall i reaktivitet, och överträffade avsevärt kommersiell RuO2 . Dessutom krävde det mindre extra energi (låg överpotential på 213 mV jämfört med 270 mV för kommersiell RuO2 ) och förblev funktionellt under en längre period (43 timmar jämfört med 7,4 timmar för kommersiell RuO2 ).
På grund av sin förbättrade stabilitet och förbättrade funktioner, den nyligen föreslagna SA Zn-RuO2 katalysator har potential att påverka utvecklingen av kostnadseffektiva, aktiva och syrabeständiga elektrokatalysatorer för OER. Detta kan i sin tur hjälpa till att minska kostnaderna och öka produktionen av grönt väte, vilket kan hjälpa till med en övergång mot renare energikällor och framsteg inom hållbar teknik.
"Vi tror att denna förändring kan revolutionera industrier, transporter och energiinfrastruktur och bidra till de insatser som syftar till att bekämpa klimatförändringar och främja en mer motståndskraftig och miljömedveten framtid. Detta beror på att tillgängligt grönt väte kan ha en transformativ inverkan på samhällen genom att mildra miljöpåverkan, skapa jobb och säkerställa energisäkerhet genom diversifierade och hållbara energilösningar", förklarar prof. Jang.
Sammanfattningsvis den mycket reaktiva och katalytiskt stabila RuO2 Katalysator för den sura OER har ökad hållbarhet och gynnsamma egenskaper och har potential för att vägleda utformningen av robusta och aktiva icke-iridiumbaserade OER-elektrokatalysatorer för praktiska tillämpningar.
Mer information: Qing Qin et al, Tuning elektronisk struktur för RuO2 av en atom Zn och syrevakanser för att öka syreutvecklingsreaktionen i surt medium, Journal of Energy Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.jechem.2023.09.010
Tillhandahålls av Chung Ang University
