Det finns en ständigt närvarande kamp för att minska koldioxidbaserade energikällor och ersätta dem med alternativ med låga eller inga koldioxidutsläpp. Processen att klyva vatten kan vara lösningen.
Vätgasproduktion är en enkel, säker och effektiv metod för att producera mer energi än bensin kan genom den enkla processen att klyva vatten. Att skörda energi på detta sätt, i motsats till att förlita sig mycket (eller alls) på kolbaserade energikällor, blir alltmer standard. Forskare har hittat en metod för att använda övergångsmetallsulfider, som tenn (Sn), kobolt (Co) och järn (Fe) på nickelskum, för att utveckla elektrokatalysatorer av oädel metall för användning i kostnadseffektiv och miljömässigt ansvarsfull vattenklyvning.
Forskarna har publicerat sina resultat i Nano Research Energy .
För att bli framgångsrik i denna koldioxidreducerande satsning måste vissa reaktioner stabiliseras för denna process. Stjärnan i studien är FeSnCo0.2 Sx Oy /NF, som kan fungera som både anod och katod i processen för att klyva vatten vid låg spänning.
De två reaktionerna som är oroande här är syreutvecklingsreaktioner (OER) och väteevolutionsreaktioner (HER). OER genererar O2 via en kemisk reaktion från vatten. HER ger H2 från en två-elektronöverföringsreaktion. Den resulterande H2 är användbart som bränsle. Att använda båda dessa reaktioner är idealiskt för att skapa en bifunktionell elektrokatalysator. Elektrokatalysatorer kan definieras som katalysatorer (eller reaktionsstartare) som fungerar vid elektrodytor, vilket är ytor som kan bära en elektrisk ström.
HER har visat sig vara stabil vid 55 timmars kontinuerlig användning och kräver även en lägre överpotential än OER. Överpotential är skillnaden i mängden energi som behövs för att en given katalysator ska fungera.
OER-stabilitet är tyvärr inte där den behöver vara. Detta beror delvis på det extra steget som är involverat i elektronöverföringen men också på att elektrolyterna de fungerar under är vanligtvis hårda. Även om OER är stabil med kontinuerlig användning på cirka 70 timmar, minskar dess aktivitet med mer kobolthalt.
"Det är avgörande att förbättra OER-stabiliteten för övergångsmetallsulfider så att de kan användas som bifunktionella HER- och OER-katalysatorer för reversibla vätebränsleceller", säger Jingqi Guan, författare och forskare av studien.
OER har också en högre överpotential än HER. Med en högre mängd energi som behövs för att få katalysatorn i drift kan OER vara "svårare". Men kombinationen av järn, tenn och kobolt på nickelskum har en viss förbättring av bifunktionell stabilitet och både HER- och OER-aktivitet.
Kombinationen av dessa metaller och de bildade heterostrukturella gränssnitten kan justera fördelningen av elektronerna över elektrolytytan. "Heterostrukturell" syftar här på en halvledare som kan ha en förändrad kemisk sammansättning baserat på den position de två kemikalierna befinner sig i. I det här fallet är det en sulfid/oxihydroxid-duo.
Jämn fördelning av elektroner hjälper till att öka laddningsöverföringshastigheten genom hela strukturen, vilket sedan främjar överföringen av elektroner. På grund av denna halvledares natur skulle ökad stabilitet naturligtvis förbättra den övergripande aktiviteten och funktionen.
Sammantaget har dessa övergångsmetaller en synergistisk effekt på varandra, speciellt när de genomgår HER. Denna effekt gör dem till idealiska kandidater för den huvudsakliga utmaning som forskare föreslår:att minska kolbaserade energikällor.
Även om resultaten var mycket lovande, finns det alltid steg som kan tas i framtiden för att fullända en process. Att hitta en katalysator som minimerar överpotentialen kan minska den energiinsats som behövs för att katalysera reaktionen. Dessutom är det absolut nödvändigt att säkerställa att de utvecklade elektrokatalysatorerna är tillräckligt hållbara för att användas kommersiellt och tål långa timmars kontinuerlig användning utan några negativa effekter för att de heterostrukturella gränssnitten ska bli framgångsrika på lång sikt.
Mer information: Siyu Chen et al, Interface engineering of Fe-Sn-Co sulfide/oxyhydroxide heterostructural electrocatalyst for synergistic water splitting, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120106
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
