Ny forskning om den krävande uppgiften att utveckla katalysatorer för väteproduktion har gjort betydande framsteg.
Professor Yong-Tae Kim från institutionen för materialvetenskap och teknik och Graduate Institute of Ferrous &Eco Materials Technology, och Kyu-Su Kim, en doktorand från institutionen för materialvetenskap och teknik vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH) ), samarbetade i ett forskningsprojekt som erbjuder en lovande riktning för den framtida utvecklingen av katalysatorer för vattenelektrolys.
Deras studie visades upp som omslagsartikel i ACS Catalysis .
Vattenelektrolys, en metod för att producera väte från den rikliga resursen vatten, framstår som en miljövänlig teknik som inte ger några koldioxidutsläpp. Emellertid möter denna process begränsningar på grund av dess beroende av ädelmetallkatalysatorer såsom iridium (Ir), vilket gör det ekonomiskt omöjligt. Forskare undersöker aktivt utvecklingen av katalysatorer i form av metallegeringar för att möta denna utmaning.
Inom området för forskning om vattenelektrolyskatalys är de primära katalysatorerna som granskas iridium, rutenium (Ru) och osmium (Os). Iridium, trots sin höga stabilitet, uppvisar låg aktivitet och kommer till ett brant pris. Omvänt uppvisar rutenium berömvärd aktivitet och är ett mer kostnadseffektivt alternativ jämfört med iridium, även om det saknar samma nivå av stabilitet.
Osmium, å andra sidan, löser sig lätt under olika elektrokemiska förhållanden, vilket leder till bildandet av nanostrukturer med en utökad elektrokemisk aktiv yta, vilket ökar geometrisk aktivitet.
Inledningsvis utvecklade forskargruppen katalysatorer som använder både iridium och rutenium. Genom att kombinera dessa metaller bevarade de framgångsrikt de utmärkta egenskaperna hos var och en, vilket resulterade i katalysatorer som visade förbättringar i både aktivitet och stabilitet. Katalysatorer som innehåller osmium uppvisade hög aktivitet på grund av den utökade elektrokemiska aktiva ytarean som uppnås genom nanostrukturbildning. Dessa katalysatorer bibehöll de fördelaktiga egenskaperna hos iridium och rutenium.
Därefter utökade teamet sina experiment till att omfatta alla tre metallerna. Resultaten visade en måttlig ökning av aktiviteten, men upplösningen av osmium hade en skadlig effekt, vilket avsevärt äventyrade den strukturella integriteten av iridium och rutenium. I denna serie accelererades agglomerationen och korrosionen av nanostrukturer, vilket ledde till en minskning av balansen mellan katalytisk prestanda.
Baserat på dessa resultat har forskargruppen föreslagit flera vägar för ytterligare katalysatorforskning. Först och främst betonar de behovet av ett mått som samtidigt kan utvärdera både aktivitet och stabilitet. Detta mått, känt som aktivitetsstabilitetsfaktorn, introducerades ursprungligen av Kims forskargrupp 2017.
Dessutom förespråkar teamet för bibehållande av överlägsna katalysatoregenskaper även efter bildandet av nanostrukturer, för att förbättra elektrokatalysatorns elektrokemiskt aktiva ytarea. De lyfter också fram vikten av att noggrant välja ut kandidatmaterial som effektivt kan synergisera när de legeras med andra metaller. Kärnan i denna studie ligger inte i att presentera specifika resultat som utvecklingen av nya katalysatorer, utan snarare i att erbjuda viktiga överväganden för katalysatordesign.
Professor Yong-Tae Kim, som ledde forskningen, sa:"Denna forskning markerar början på vår resa, inte slutsatsen." Han delade sin vision genom att säga:"Vi är dedikerade till den kontinuerliga utvecklingen av effektiva vattenelektrolyskatalysatorer baserade på insikterna från denna forskning."
Mer information: Kyu-Su Kim et al, Försämrad balans mellan aktivitet och stabilitet via Ru-inkorporering i ir-baserade syreutvecklingsnanostrukturer, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c01497
Journalinformation: ACS-katalys
Tillhandahålls av Pohang University of Science and Technology
