Grönt väte (eller H2 ) producerad från förnybara energiresurser är bränslet för en kolfri framtid. Elektrolys, eller delning av vatten till syre och väte med hjälp av en elektrokemisk cell, är ett av de mest populära sätten att producera grönt H2 .
Det är en enkel reaktion, säkerställer produkter av hög kvalitet och har noll koldioxidutsläpp. Trots dess fördelar har elektrokemisk vattenklyvning ännu inte fått framträdande plats i kommersiell skala. Detta beror på den låga elektriska ledningsförmågan hos aktiva (oxi)hydroxidkatalysatorer som genereras in situ under de elektrokemiska processerna. Detta leder i sin tur till begränsad katalytisk aktivitet, vilket hämmar såväl väte- som syreutvecklingsreaktioner i cellen.
Problemet med (oxi)hydroxids dåliga elektriska egenskaper har varit en långvarig utmaning för att uppnå effektiv vattenklyvning. Nu har ett team av forskare under ledning av docent Junhyeok Seo från Institutionen för kemi vid Gwangju Institute of Science and Technology, hittat en lösning på denna fråga i form av Schottky-korsningar.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Applied Catalysis B:Environmental , demonstrerade de en elektrod med en Schottky-övergång bildad vid gränsytan av metallisk nickel-volframnitrid (Ni-W5 N4 ) och halvledande n-typ nickel-järn (oxi)hydroxid (NiFeOOH) katalysator. Denna elektrod kunde övervinna konduktansgränsen för (oxi)hydroxid och förbättrade anläggningens vattenuppdelningsförmåga.
Särskilt två material, en metall och en halvledare, med till stor del olika elektroniska beteenden, sattes i kontakt för att göra en energiskillnad vid gränssnittet, vilket bildade en korsning. "Vår forskning använde denna potentiella energibarriär som finns i Schottky-korsningen för att påskynda elektronflödet i elektroden, vilket ledde till en betydande ökning av reaktionsaktiviteten för syreutveckling, vilket påskyndar den totala vattenklyvningen", förklarar Dr. Seo och lyfter fram kärnmekanismen bakom deras nya designad elektrod.
Efter att ha utfört elektrokatalytisk vattenklyvning, observerade teamet att Ni-W5 N4 legering katalyserade väteutvecklingsreaktionen, vilket resulterade i 10 mA/cm 2 strömtäthet vid en liten överpotential på 11 mV. Dessutom bildades den likriktande Schottky-korsningen vid gränssnittet mellan Ni-W5 N4 |NiFeOOH upphävde den icke-ledande lamineringen som producerades av (oxi)hydroxidarter.
I framåtförspänning uppvisade den en strömtäthet på 11 mA/cm 2 vid 181 mV överpotential. Den elektrokemiska analysen av elektroden visade att den förbättrade katalytiska aktiviteten verkligen kunde tillskrivas Schottky-övergången.
Slutligen designade forskarna en elektrolysator med deras Schottky junction-elektrod för industriell havsvattenelektrolys. De fann att den nya enheten kunde fungera kontinuerligt i 10 dagar, samtidigt som den uppvisade enastående katalytisk aktivitet och hållbarhet under elektrolys. Den visade en anmärkningsvärd strömtäthet på 100 mA/cm 2 vid en överpotential på bara 230 mV.
Sammantaget tror forskarna att dessa fynd kan bidra till en hållbar strategi för väteproduktion för att så småningom ersätta konventionella metoder som fortfarande är beroende av fossila bränslen. Som Dr. Seo avslutar, "Färskvatten och havsvatten är rikliga och förnybara källor till protoner. Effektiva vattenklyvningssystem säkerställer att vi kan etablera en hållbar produktion av vätgasfri bränsle, vilket hjälper oss att hantera våra nuvarande klimatproblem."
Mer information: Selvaraj Seenivasan et al, Schottky-omkopplare härledd av metallisk W5N4 | katalysatorövergång:Slå på för att förbättra katalytisk aktivitet och hållbarhet vid vattenspjälkningsreaktion, Applied Catalysis B:Environmental (2023). DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123233
Tillhandahålls av Gwangju Institute of Science and Technology
