Sandwichkatalysatoren bieden een hogere activiteit en duurzaamheid

De sandwich is een voedsel dat door de 18e-eeuwse edelen is verzonnen om ononderbroken kaartspellen te spelen. Vlees of groenten werden in lagen gelegd en vervolgens tussen brood gestopt om snel te worden gegeten tijdens het spel. Dit efficiënte voedsel leverde ook voldoende calorieën en voeding op. Een POSTECH-onderzoeksteam heeft ontdekt dat gelaagdheid zoals de sandwich een uitstekende manier is om waterstofenergie te verkrijgen, een alternatieve energiebron voor fossiele brandstoffen.

Het onderzoeksteam onder leiding van professor In Su Lee, SunWoo Jang, een student in de MS / Ph.D. geïntegreerd programma, en Dr. Soumen Dutta van het Departement Chemie van POSTECH hebben samen een sandwich-gestructureerde katalysator ontwikkeld die efficiënt waterstofenergie kan genereren door waterelektrolyse te activeren. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het internationale tijdschrift van de American Chemical Society ACS Nano.

Waterstof-brandstofcellen zijn milieuvriendelijke energieopwekkende apparaten die elektriciteit opwekken met behulp van chemische reacties die water produceren (H.₂O) uit zuurstof (O₂) en waterstof (H.₂). Met de recente introductie van voertuigen op waterstof en de verspreiding van waterstof-brandstofcellen in huishoudens, wordt waterstof algemeen gezien als de volgende generatie energiebron om fossiele brandstoffen te vervangen. De manier waarop water wordt afgebroken en waterstof wordt geproduceerd met behulp van overtollige stroom die wordt verkregen uit zonne- of windenergie, wordt beschouwd als de gemakkelijkste en meest milieuvriendelijke manier om waterstofbrandstof met een hoge zuiverheid in grote hoeveelheden te produceren. Deze methode heeft echter het nadeel dat ze een lage productie-efficiëntie en hoge kosten heeft. Om de eenheidsprijs van waterstof als brandstof geproduceerd door middel van waterelektrolyse te verlagen, is het nodig om zeer actieve en stabiele elektrochemische katalysatoren te ontwikkelen die de efficiëntie van de waterstofopwekking kunnen maximaliseren.

Platina (Pt) wordt beschouwd als de meest geschikte katalysator voor waterstofproducerende reacties, maar de lage affiniteit voor watermoleculen en de daaruit voortvloeiende lage snelheid van waterelektrolyse maken het moeilijk toe te passen op commerciële processen die plaatsvinden onder alkalische elektrolytomstandigheden. Om deze beperkingen te compenseren, zijn er veel pogingen gedaan om metaalsulfide te combineren met platina-nanodeeltjes die waterelektrolyse bevorderen, maar de onstabiele aard van platina / metallisch-sulfide-oppervlakken vormt een andere zwakte die de duurzaamheid van katalysatoren aanzienlijk vermindert.

Als reactie hierop ontwierp het onderzoeksteam een ​​tweedimensionale vorm van platina / metaal-hydroxide-interface om de efficiëntie en duurzaamheid van katalysatoren tegelijkertijd te verbeteren. In een originele techniek om een ​​platina-laag van ongeveer 1 nm te laten groeien op het oppervlak van nikkel / ijzer-dubbel-hydroxide (LDH), dat enkele nanometers dik is, 2-D-2-D nanohybride materialen in de vorm van sandwiches met 2 -D-nikkel / ijzer-hydroxide-nanoplaten zijn met succes gesynthetiseerd.

De gesynthetiseerde sandwichkatalysator heeft een synergetisch katalytisch effect tussen metaalhydroxide en platina, die in nauw contact staan ​​over een breed 2-D-2-D-grensvlak. Op dit moment vertoont het meer dan 6 keer de activiteit van het conventionele katalytische materiaal (20% -Pt / C) en behoudt het een stabiele katalytische functie zonder de activiteit te verminderen, zelfs bij de waterstofproducerende waterelektrolyse gedurende meer dan 50 uur.

“Sandwichkatalysatoren hebben de hoogste waterstofproducerende katalytische activiteit in alkali-oplossing onder stoffen die geen koolstofdragers gebruiken, maar zijn aanzienlijk duurzamer dan vergelijkbare elektrochemische katalysatoren die slechts drie tot vijf uur stabiel zijn”, zei professor In Su Lee, die de Onderzoek. “We verwachten dat ze zullen worden toegepast om een ​​kosteneffectief proces voor waterstofproductie te ontwikkelen.”