Den billiga och effektiva produktionen av väte är ett viktigt steg mot att utveckla alternativa, rena energikällor. Elektrokemisk vattenspjälkning, som delar upp vatten i dess väte- och syreelement med hjälp av en elektrokatalysator, är ett gångbart alternativ för att producera väte. Konventionellt har katalysatorer varit baserade på kostsamma grundämnen som platina, vilket gör det svårt att tillämpa denna teknologi i en utbredd, kommersiell skala.
I en nyligen publicerad artikel visade forskare hur man tillsatte molybden till en nickel-koboltfosfidkatalysator och syntetiserade den med en hydrotermisk gradientprocess, där katalysatorn värms upp till 100 grader, 150 grader och sedan 180 grader Celsius under 10 timmar, skapade en unik mikrostruktur som förbättrade katalysatorns prestanda, vilket resulterade i väteproduktion som skulle kunna vara mer användbar för storskalig väteproduktion.
Uppsatsen publicerades i Nano Research .
"Den innovativa kombinationen av gradient hydrotermisk och fosfideringsprocesser bildar en mikrosfärstruktur", säger Yufeng Zhao, professor vid College of Sciences &Institute for Sustainable Energy vid Shanghai University i Shanghai, Kina.
"Dessa nanopartiklar med en diameter på cirka 5 till 10 nanometer bildar nanonålar, som sedan självmonteras till en sfärisk struktur. Nanonålarna erbjuder rikligt med aktiva platser för effektiv elektronöverföring och närvaron av små partiklar och mikroskalig grovhet förbättrar utsläpp av vätebubblor."
För att skapa denna unika mikrostruktur använde forskare en teknik som kallas elementdopning. Elementdopning är avsiktlig tillsats av föroreningar till en katalysator för att förbättra dess aktivitet. I denna studie sattes molybden (Mo) till den bimetalliska nickel-kobolt (Ni-Co) fosfiden (P).
Ni-Co-fosfider har redan exceptionell elektrokatalytisk prestanda på grund av hur kobolt- och nickeljonerna interagerar. Efter tillsats av molybden och sedan med användning av en hydrotermisk gradientprocess, avsattes den Mo-dopade Ni-CoP på ett nickelskum. Efter denna process bildades den unika mikrostrukturen av nanonålar på fosfiden.
"Spårmolybdendopning optimerar den elektroniska strukturen och ökar antalet elektroaktiva platser", säger Zhao. Den Mo-dopade Ni-CoP-katalysatorn testades för tillförlitlighet, stabilitet och prestanda. Dess densitet förblev nästan konstant efter 100 timmar och dess struktur bibehölls väl, delvis tack vare den unika strukturen hos nanonålarna, som förhindrar katalysatorn från att kollapsa när väte ackumuleras. Beräkningar visade också att fosfidkatalysatorn var exceptionellt effektiv.
Framöver hoppas forskarna kunna testa reaktionens prestanda i olika lösningar, till exempel sura och neutrala lösningar. Framtida studier kommer också att titta på alternativ till nickelskum, såsom titannät, som kan fungera över pH-området. "I framtida arbete rekommenderar vi att man utforskar tillämpningen av katalysatorn vid oxidationsassisterad väteproduktion av små molekyler, såsom urea. Detta tillvägagångssätt skulle minska överpotentialen för vattenelektrolys och mildra miljöföroreningar orsakade av ureaavloppsvatten", säger Zhao.
Mer information: Chengyu Huang et al, Mycket effektiv och stabil elektrokatalysator för väteutveckling av molybdendopade Ni-Co fosfid nanonålar vid hög strömtäthet, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5892-7
Journalinformation: Nanoforskning
Tillhandahålls av Tsinghua University Press
