Som brännbart bränsle bidrar inte förbränning av vätgas till den globala uppvärmningen. Idag genereras dock majoriteten av vätgas från fossila bränslen, och denna process släpper ut växthusgaser i atmosfären. Att generera vätgas från rena källor, såsom delning av vattenmolekyler med elektricitet genom elektrolys, är viktigt för att uppnå framtida koldioxidneutralitet, men nuvarande metoder är ineffektiva och begränsar den kommersiella användbarheten av vätebaserad teknik.
En ny elektrokatalysator utnyttjar förbättrad elektrokemisk aktivitet, reaktionsyta och hållbarhet för att förbättra effektiviteten av vätgasproduktion via elektrolys.
Forskare från Center of Excellence for NaNo Energy &Catalysis Technology (CONNECT), Xiamen University i Malaysia syntetiserade och karakteriserade en effektiv och hållbar vattenelektrokatalysator bestående av övergångsmetallen dikalkogenid volframdisulfid (WS2 ), ett tvådimensionellt material med halvledande egenskaper, som fungerar som en elektronacceptor eller donator i elektrolysreaktionen.
Elektrokatalysatorn, WS2 /N-rGO/CC, skapas på en kolduk (CC) som är bunden till reducerad grafenoxid (rGO), en tvådimensionell gitterhalvledare, kombinerad med en mycket liten mängd kväve (N) för att förändra egenskaperna hos den reducerade grafenoxidhalvledaren. En hydrotermisk reaktion omvandlar tvådimensionell WS2 till mikroskopiska, tredimensionella blomliknande strukturer som kallas nanoblommor som ökar elektrokatalysatorns yta för att förbättra reaktionseffektiviteten.
Teamet publicerade sina resultat i tidskriften Nano Research .
"Att syntetisera en självbärande elektrod för väteutvecklingsreaktionen i vattenhydrolys är avgörande eftersom det tar itu med en grundläggande utmaning inom ren energiproduktion. Traditionella metoder förlitar sig ofta på dyra katalysatorer och stöd, vilket kan begränsa effektiviteten och skalbarheten av väteproduktion. arbete representerar ett betydande framsteg genom att skapa en självbärande elektrod som inte bara förbättrar den elektrokatalytiska aktiviteten, utan också erbjuder en kostnadseffektiv och hållbar lösning för vätegenerering, säger Feng Ming Yap, huvudförfattare till artikeln och doktorand i Skolan för energi och kemiteknik vid Xiamen University Malaysia i Selangor Darul Ehsan, Malaysia.
Eftersom den aktiva typen av elektrokatalysatorn, volframdisulfid, är direkt inkorporerad i elektrodens ledande material, WS2 /N-rGO/CC anses vara en självbärande elektrod. Inga polymerbindemedel eller tillsatser finns i den syntetiserade elektrokatalysatorn för att maskera katalysatorns aktiva platser eller minska elektronkonduktansen, vilket maximerar reaktionseffektiviteten.
Forskargruppen experimenterade med att införliva olika mängder dimetylformamid (DMF) i den slutliga hydrotermiska syntesreaktionen för att bestämma den bästa koncentrationen för den föredragna metalliska 1T-fasövergången av WS2 för elektroden. Elektroden som utvecklades med en 50 % koncentration av DMF i vatten (50 % WGC) under den senaste hydrotermiska reaktionen visade överlägsna egenskaper jämfört med elektroder syntetiserade med 0, 25, 75 och 100 % DMF-lösningar.
"Vår elektrod kan effektivt producera väte under ett brett spektrum av pH-förhållanden, vilket gör den mångsidig och anpassningsbar för olika praktiska tillämpningar. Det är ett steg mot hållbar och effektiv väteproduktion, vilket är avgörande för en renare energiframtid", säger Wee-Jun Ong, handledare för projektet och docent vid School of Energy and Chemical Engineering vid Xiamen University Malaysia.
Viktigt är att 50 % WGC-elektrokatalysatorn överträffade platina-benchmark-elektrokatalysatorn, 20 % Pt-C/CC, för HER i både sura och basiska förhållanden. Specifikt visade 50 % WGC en lägre överpotential, eller energi som krävs för att dela vatten, än 20 % Pt-C/CC. Överpotentialen för 50 % WGC var 21,13 mV jämfört med 46,03 mV för 20 % Pt-C/CC.
Forskargruppen anser att mer kostnads- och energieffektiva elektrokatalysatorer, som 50 % WGS, är avgörande för att uppnå världens mål för ren energi. "Vi siktar på att utforska skalbarheten och den praktiska implementeringen av vår självförsörjande elektrodteknologi. Vårt slutmål är att bidra till övergången till ett hållbart energilandskap, där väte kan spela en avgörande roll som en ren och förnybar energikälla", säger Ong.
Jian Yiing Loh från School of Energy and Chemical Engineering och Center of Excellence for NaNo Energy &Catalysis Technology (CONNECT) vid Xiamen University Malaysia i Selangor Darul Ehsan, Malaysia bidrog också till studien. Denna forskning är en del av initiativen från den nationella politiken i Malaysia, nämligen National Energy Transition Roadmap (NETR) och Hydrogen Economy and Technology Roadmap (HETR), för att underlätta Malaysias hållbara energi under de kommande fem åren.
Mer information: Feng Ming Yap et al, Synergistisk integration av självbärande 1T/2H−WS2 och kvävedopad rGO på koltyg för pH-universell elektrokatalytisk väteutveckling, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-6118-8
Journalinformation: Nanoforskning
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
