De minskande konventionella energiresurserna baserade på fossila bränslen och deras relaterade miljökonsekvenser har uppmärksammat utvecklingen av förnybara energiresurser världen över. Dessa förnybara energiresurser kanske inte uppfyller hela energibehovet hos världens massbefolkning; dock begränsar de effekterna av växthusgaser samt luftföroreningar orsakade av fossila bränslen. Bland alternativa resurser anses väte vara den renaste energibäraren.
Väte finns dock inte i sitt rena tillstånd i naturen, som syre, och måste framställas från vätehaltiga resurser som naturgas (metan), kol, biomassa och vatten genom reformering, termisk nedbrytning eller elektrolys. Men produktion av vätgas från naturgas, kol och biomassa leder till utsläpp av växthusgasen koldioxid (CO2 ).
Vi vet att vatten (H2 O) är gjord av väte- och syreatomer; därför kan havsvatten vara en obegränsad källa till väte. Därför är väte tänkt som en möjlig ersättning för fossila bränslen. Produktion via kraft från förnybar energi (med vindkraft, solkraft, vattenkraft, vågkraft eller liknande) benämns "grönt väte". I detta scenario är uppdelning av vatten i väte och syre med förnybar elektricitet i en elektrolysator på ytan av en robust elektrokatalysator en föreslagen teknik.
Trots framsteg på området förblir processen med vattenspott för att producera prisvärt grönt väte fortfarande trögt på grund av begränsningar relaterade till effektiva elektrokatalysatorer. I teorin delar sig vatten vid 1,23 V. Men i praktiska termer är detta värde större än 1,5 V (vilket betyder slöseri med ytterligare energi). Denna minimienergi krävs teoretiskt för att bryta vattenmolekylen. Dyra ädel- och ädelmetallbaserade elektrokatalysatorer, till exempel Pt, Pd, Au, Rh, Ir, etc., används i elektrolysatorn för denna process.
De största problemen som industrin och experterna står inför är oxidationen av vatten för att producera O2 och stabiliteten hos katalysatorn under hårda industriella alkaliska förhållanden. I det första problemet är halvcellsreaktionen en uppförsreaktion där fyra elektroner är inblandade och där det mesta av energin krävs förutom den energiförlust som är förknippad med resistiviteten hos olika komponenter (elektrolyt, anslutningar, katalysator, etc.) elektrolysatorn. I det andra problemet förlorar de dyra katalysatorerna ofta sin aktivitet på grund av ytnedbrytning. Under dessa förhållanden krävs en billig och prisvärd men ändå mycket aktiv och stabil elektrokatalysator för en sådan vattenklyvningsreaktion.
I en nyligen genomförd studie designade och utvecklade vårt team, ledd av Sasanka Deka, en ny nanokompositbaserad, mycket effektiv, men ändå kostnadseffektiv elektrokatalysator för övergripande vattenklyvning. En nanokomposit är en homogen blandning av två eller flera material som finns i nanometerintervallet. Den nuvarande nanokompositen är en nanoarkitektur baserad på NiCu delegerade nanopartiklar på hierarkiska Co nanoskivor. Våra resultat publiceras i tidskriften ACS Catalysis .
Materialen som används är billigare än ädelmetallerna och syntesförfarandet är mycket bekvämt. Denna nya katalysator användes i en elektrolysator i kaliumhydroxid (KOH) elektrolyt för att klyva vatten. Intressant nog visar systemet uppdelning av vatten och produktion av vätgas med hjälp av NiCu/Co-elektrokatalysatorn vid 1,46 V cellspänning. Således kan elektrokatalysatorn dela vatten genom att endast använda ett hushållsbatteri på 1,5 volt.
Andra nyckelpunkter med NiCu/Co-elektrokatalysatorn är den gröna väteproduktionen som sker med industriellt viktig hög strömtäthet, hög stabilitet (6 000 cykler) och hållbarhet (60 h) hos katalysatorn. Den fungerar även i industriellt elektrolyttillstånd med 30 viktprocent KOH-elektrolyt och cellspänningen som erbjuds är mycket lägre än den för en kommersiell IrO2 ||Pt/C-katalysator.
Detaljerade experimentella och beräkningsstudier har utförts för att förstå orsaken bakom denna effektivitet. De bekräftade resultaten stöder vår initiala hypotes om selektiv urlakning av material för att skapa en mer porös struktur, och användningen av olika metallcentra och materialformer för väte- och syreutveckling.
Sammanfattningsvis har vi utvecklat en enkel men avancerad och kostnadseffektiv metod för att designa en nanokompositbaserad, bifunktionell elektrokatalysator av olegerad NiCu på Co nanoplåt som kan dela vatten vid 1,46 V med stor stabilitet. Vi hoppas att vår produkt kan vara användbar för uppskalningssyntes och kommersiell användning i elektrolysatorer för produktion av grönt väte.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Ankur Kumar et al, Designing Nanoarchitecture of NiCu Dealloyed Nanoparticles on Hierarchical Co Nanosheets for Alkaline Overall Water Splitting at Low Cell Voltage, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02096
Journalinformation: ACS Catalysis
Dr. Sasanka Deka är professor i kemi, University of Delhi. Han fick sin Ph.D. examen från National Chemical Laboratory (NCL-Pune). Han gjorde sin postdoktorala forskning från National Nanotechnology Laboratory, CNR-INFM, Lecce, Italien och Italian Institute of Technology (IIT), Genova, Italien. Han har tilldelats TMS Foundation 2008 SHRI RAM ARORA AWARD, av Minerals, Metals &Materials Society (TMS), Warrendale, USA; DAE-BRNS Forskningspris för unga forskare 2011, RSC bästa muntliga föredrag – 2015, Institute of Physics (IOP), UK best cited paper-India 2019 och RSC best cited paper 2020. Dr. Deka har publicerat mer än 75 forskningsartiklar i olika international high impact journals, innehar tre patent och skrev även två böcker och tre bokkapitel utgivna av ett internationellt förlag. Han har framgångsrikt hanterat flera extramurala nationella och internationella forskningsprojekt. Hans nuvarande forskningsintresse handlar om syntetisk nanokemi och nya nanomaterial för energiforskning.
