Vätgas är ett rent, förnybart alternativ till fossila bränslen, men nuvarande industriella produktionsmetoder som används för att producera väte släpper ut kol i atmosfären och förorenar miljön.
En ny katalysator, kolförening nickel-järn-molybden-fosfid förankrad på nickelskum (NiFeMo-P-C), har avsevärt minskat mängden el som krävs för att generera både väte och syre från vatten, vilket ger ett rent och effektivt sätt att producera vätgas .
Ett team av ledande kemiingenjörer har syntetiserat en kostnadseffektiv och lätttillverkad katalysator utformad för att minska mängden energi som krävs för elektrolys av vatten, som delar vattenmolekyler till väte och syre med hjälp av elektricitet.
Väte och syrgas delas från vatten genom väteutvecklingsreaktionen (HER) respektive syreutvecklingsreaktionen (OER). Övergångsmetallegeringen, eller blandningen innehållande minst en metall, nickel-järn-molybden (NiFeMo) användes som en katalysator för vattenelektrolys på grund av den ofullständiga fyllningen av elektronorbitaler i övergångsmetallatomerna nickel och järn, vilket gör den till en idealisk elektron donator och acceptor i kemiska reaktioner. Fosfid sattes till katalysatorn för att förbättra korrosionsbeständigheten i en alkalisk eller basisk pH-elektrolytlösning.
Teamet publicerade resultaten av sin studie i Nano Research Energy den 7 juli.
"Väte är erkänt som det mest idealiska alternativet till fossila bränslen på grund av dess höga... energitäthet, höga värmeomvandlingseffektivitet och noll koldioxidutsläpp. Men de vanligaste metoderna för väteproduktion inom industrin, inklusive ångreformering av naturgas och metanol och förgasning av kol, förbrukar fossila bränslen och orsakar allvarlig förorening av miljön", säger Jingjing Tang, handledare för studien och docent vid Central South University i Changsha, Kina.
"Vattenelektrolys tar vatten som råmaterial för att producera högrent väte genom att omvandla elektricitet till kemisk energi, vilket är en ren och lovande teknik för väteproduktion", säger Tang.
Katalysatorer som användes för att sänka energin som krävs för både HER och OER fanns tidigare, men använde platina och iridiumoxid, värdefulla grundämnen som både är dyra och en bristvara. Att skapa en prisvärd katalysator som sänker aktiveringsenergin för båda reaktionerna minskar de totala tillverkningskostnaderna och förbättrar den kommersiella livskraften för produktion av ren vätgas.
En utmaning vid utformningen av en bifunktionell katalysator var de speciella kraven för OER. "Eftersom OER är en fyra-elektronöverföringsreaktion med trög kinetik, presterar [den] generellt bättre i alkalisk lösning. Det var avgörande att forska om icke-ädla, metallbaserade elektrokatalysatorer med utmärkt bifunktionell prestanda i [en] alkalisk elektrolyt", säger Tang. Teamet skapade legeringen och metallfosfiden för att bibehålla katalysatorintegriteten under dessa alkaliska förhållanden.
För att testa sammansättningen och valenstillståndet för den genererade NiFeMo-P-C-katalysatorn, utsatte teamet föreningen för röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)-mätning för att bekräfta närvaron av Ni, Fe, Mo, P, C och O. nickels upplösningsspektrum identifierade också 2p3/2 och 2p1/2 spinnbanor, vilket hänvisar till elektronernas tillstånd i katalysatorns nickelatomer.
Sammantaget kräver den nyutvecklade NiFeMo-P-C elektrokatalysatorn mycket låga överpotentialer, eller energi som krävs för att dela vatten, för HER (87 mV för att uppnå en strömtäthet på 10 mA·cm –2 ) och OER (196 mV för att uppnå en strömtäthet på 10 mA·cm –2 ). Cellspänningen, eller skillnaden i spänning mellan två elektroder, som krävs för vattenelektrolys med katalysatorn är också endast 1,50 V vid 10 mA·cm –2 .
Teamet är optimistiskt att deras upptäckt kommer att göra ren väteproduktion till verklighet. "Till skillnad från de flesta bifunktionella katalysatorer kan NiFeMo-P-C uppnå utmärkt katalytisk prestanda utan komplicerade förberedelsesteg och utarbetade nanostrukturer. Dessutom gör den överlägsna hållbarheten utan någon [spänning] dämpning inom 50 timmar... NiFeMo-P-C till en idealisk [icke-ädelmetall] katalysator] kandidat... för storskalig väteproduktion", sa Tang.
Andra bidragsgivare är Xiangyang Zhou, Tingting Yang, Ting Li, Youju Zi, Sijing Zhang, Lei Yang, Yingkang Liu och Juan Yang från School of Metallurgy and Environment vid Central South University i Changsha, Kina.
Mer information: Xiangyang Zhou et al, In-situ tillverkning av kolförening NiFeMo-P förankrad på nickelskum som bifunktionell katalysator för att öka den totala vattenklyvningen, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120086
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
