En ny elektrokatalysator gjord av nickel (Ni), järn (Fe) och kisel (Si) som minskar mängden energi som krävs för att syntetisera H2 från vatten har tillverkats på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt, vilket ökar användbarheten hos H2 som en ren och förnybar energi för framtiden.
Väte är en mycket brännbar gas som kan hjälpa världen att nå sina mål för ren energi om den tillverkas på ett miljömässigt ansvarsfullt sätt. Det primära hindret för att skapa vätgas från vatten är den stora mängd energi som krävs för elektrolys av vatten, eller för att dela vattenmolekyler till vätgas (H2 ) och syre (O2 ).
Mest H2 som produceras idag kommer från fossila bränslen, vilket bidrar till den globala uppvärmningen. Tillverkar H2 från vatten genom väteutvecklingsreaktionen (HER) kräver användning av en katalysator, eller medel som sänker mängden energi som krävs för en kemisk reaktion. Tills nyligen bestod dessa katalysatorer av sällsynta jordartsmetaller, som platina, vilket minskade kostnadseffektiviteten och användbarheten av ren väteproduktion.
En grupp materialforskare från Dalian University of Technology i Dalian, Kina tillverkade en elektrokatalysator, eller en katalysator som använder elektricitet, med hjälp av billiga material och metoder för att effektivt minska energin som krävs för att generera ren H2 från vatten. Det är viktigt att järn-nickel silicid (FeNiSi) legeringen, eller blandningen, också minskar den energi som krävs för att generera O2 från vatten, vilket gör katalysatorn bifunktionell.
Forskarna publicerade sin studie i Nano Research Energy .
"Det som verkligen begränsar utvecklingen och den praktiska tillämpningen av vattenelektrolysteknik är elektrokatalytiska material. För närvarande är vanliga katalysatorer, såsom ädelmetaller... mestadels enfunktionskatalysatorer, vilket begränsar den praktiska tillämpningen av vattenelektrolys för väteproduktion. Därför forskning och utveckling av effektiva, stabila, billiga och miljövänliga bifunktionella elektrokatalytiska material är ett primärt mål inom området elektrokatalys, säger Yifu Zhang, senior författare till studien och forskare vid School of Chemistry vid Dalian University of Technology.
Silicidlegeringar av övergångsmetall är unika föreningar som vanligtvis används inom energirelaterade områden, är billigt producerade och visar lovande som potentiella vattenhydrolyselektrokatalysatorer. Dessa legeringar är gjorda av övergångsmetaller, som är utmärkta katalysatorer som fritt donerar och accepterar elektroner i kemiska reaktioner, och Si-atomer, som förbättrar stabiliteten, värmebeständigheten och tillgängligheten för legeringsövergångsmetallatomer när elektricitet används.
Fe och Ni, två övergångsmetaller, är väl lämpade för användning i en övergångsmetallsilicid för vattenklyvning. "Nickelsilicid har … djupt studerats för dess låga resistans och höga metallaktivitet, särskilt… inom elektrokemiska områden. Dessutom har många nyare studier visat att Fe-Ni-baserade material har avsevärd potential inom området för elektrokemisk vattenklyvning. Syftet av detta arbete var att utveckla en billig, miljövänlig väg för att framställa järnnickelsicid som en bifunktionell elektrolytisk vattenkatalysator (EWS), säger Zhang.
Forskargruppen tillverkade FeNiSi i två steg. Först upphettades naturlig lermagadiit, en källa till kisel, järnklorid och nickelklorid, under tryck för att skapa ett järn-nickel-silikat. Järn-nickel-silikatet kombinerades sedan och upphettades med magnesium och natriumklorid (bordssalt) för att utveckla den ordnade strukturen hos FeNiSi-legeringen. Viktigt är att detta var första gången en metallisk silicidlegering hade tillverkats med denna typ av kemisk reaktion med metallsilikater som reaktionsmaterial.
Elektronmikroskopi och röntgenkarakteriseringstekniker avslöjade att tillverkningsprocessen skapade många porstrukturer i den slutliga FeNiSi-legeringen, vilket ökade dess yta och övergripande elektrokatalytiska prestanda. FeNiSi-legeringen sänker potentialen som krävs för att dela syre och väte från vatten med 308 mV för syreutvecklingsreaktionen (OER) respektive 386 mV för HER, vid en ström av 10 mA·cm −2 . Elektrokatalysatorn visade också tillräcklig hållbarhet efter 15 timmars användning.
Forskargruppen ser fram emot att FeNiSi och andra övergångsmetallsilikater bidrar till syntesen av ren vätgas för framtida energibehov.
"Detta arbete ger inte bara en enkel metod för syntes av intermetallisk silicid med avsevärda porösa strukturer utan gör det också möjligt för den intermetalliska siliciden att betraktas som en bifunktionell elektrokatalysator för EWS. Lågkostnad och effektiva intermetalliska silicidelektrokatalysatorer kommer att ge nya möjligheter för... förnybar energiomvandling", sa Zhang.
Andra bidragsgivare inkluderar Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao och Xueying Dong från School of Chemistry vid Dalian University of Technology i Dalian, Kina; Changgong Meng från School of Chemistry och College of Environmental and Chemical Engineering vid Dalian University of Technology; och Chi Huang från College of Chemistry and Molecular Sciences vid Wuhan University i Wuhan, Kina.
Mer information: Xuyang Jing et al, intermetallisk järn-nickel-silicidlegering härledd från magadiit genom magnesioterma reaktion som bifunktionell elektrokatalysator för övergripande vattenklyvning, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120104
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
