Atoomgestuurde MXenes maken kosteneffectieve productie van groene waterstof mogelijk

In totaal hebben 137 landen over de hele wereld een ‘netto-nul’-klimaatveranderingsovereenkomst ondertekend om een ​​einde te maken aan het gebruik van fossiele brandstoffen en tegen 2050 nul koolstofemissies te bereiken. Waterstof wordt aangeprezen als de volgende groene energiebron, omdat het alleen water en zuurstof uitstoot wanneer het als energiebron wordt gebruikt.

Waterstofproductiemethoden worden onderverdeeld in grijze waterstof, blauwe waterstof en groene waterstof, afhankelijk van de energiebron en koolstofemissies. Van hen is de groene waterstofproductiemethode de meest milieuvriendelijke methode die waterstof produceert zonder koolstofemissies door water te elektrolyseren met behulp van groene energie.

Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Albert Sung Soo Lee van het Convergence Research Center for Solutions to Electromagnetic Interference in Future-Mobility and Materials Architectureuring Research Center van het Korea Institute of Science and Technology (KIST), heeft in samenwerking met de groep van professor Chong Min Koo van de Sungkyunkwan University een oxidatief stabiel MXene op basis van molybdeen ontwikkeld als elektrokatalysatorondersteuning in waterelektrolyzers met anionenuitwisselingsmembraan.

De studie is gepubliceerd in het dagboek Toegepaste Katalyse B: Milieu en Energie.

Omdat het bestand is tegen oxidatieve hoge spanningsomstandigheden, kan het, indien toegepast als drager voor elektrolysekatalysatoren, worden gebruikt als elektrodemateriaal voor zuurstofontwikkelingsreacties bij de productie van groene waterstof. Zo kunnen de kosten van de productie van groene waterstof worden verlaagd.

De afbraak van water in waterstof- en zuurstofmoleculen vereist een hoge hoeveelheid energie. Om deze initiële reactie-energie te verminderen, wordt een katalysator gebruikt, en hoe kleiner de katalysator, die is opgebouwd uit kleine nanodeeltjes, hoe groter het oppervlak, waardoor de reactie kan plaatsvinden.

Echter, na verloop van tijd kunnen kleine katalysatordeeltjes agglomereren, waardoor het oppervlak kleiner wordt en de efficiëntie van de waterstofproductie afneemt. Om dit te voorkomen, worden katalysatoren en dragers samen gebruikt, en koolstof wordt voornamelijk gebruikt voor de kathode, waar waterstof wordt geproduceerd, maar wanneer koolstof wordt gebruikt in een oxidatiereactie bij de anode, wordt het geoxideerd tot koolstofdioxide. Daarom is een drager met een hoge oxidatieweerstand vereist.

Een materiaal dat als drager kan worden gebruikt, is MXene. MXenes zijn nanomaterialen die zijn samengesteld uit metaalatomen (Ti, Mo, Hf, Ta, enz.) en koolstof- of stikstofatomen, die elektrisch geleidende eigenschappen vertonen en een 2D-nanostructuur hebben die geschikt is voor katalysatordrager, waardoor ze gunstig zijn voor waterstofproductie.

Titanium-gebaseerde MXenes zijn het meest bestudeerd vanwege hun hoge elektrische geleidbaarheid. De atomaire aard van titanium, dat gemakkelijk oxideert in water, heeft echter geleid tot het inherente nadeel dat de katalysator geen hoge elektrische geleidbaarheid kan behouden. Om dit te overwinnen, ontwierp het team een ​​nieuwe anodekatalysator die molybdeen-carbide-gebaseerde MXene als drager gebruikt.

Wanneer het op molybdeen gebaseerde MXene als drager wordt gebruikt, ontstaan ​​er sterke chemische verbindingen tussen de molybdeenatomen op het oppervlak van het MXene en de actieve stof kobalt.

De resulterende chemische bindingen verhoogden de waterstofproductie-efficiëntie met ongeveer 2,45 keer. In het bijzonder werd de duurzaamheid van de eenheidscel met meer dan 10 keer verbeterd vergeleken met de resultaten van een recente titanium-gebaseerde MXene, die minder dan 40 uur meeging.

Verwacht wordt dat dit de kosten van de productie van groene waterstof zal verlagen en dat dit in de toekomst zal worden toegepast in grootschalige waterstofproductie-installaties en grootschalige groene waterstofenergiecentrales.

“Door de elementen waaruit MXene bestaat te controleren, konden we geschikte kandidaten vinden voor groene waterstofproductieomgevingen. Zo konden we een stabiele MXene-ondersteuning in een oxiderende omgeving veiligstellen”, aldus Dr. Albert Sung Soo Lee van KIST.

“In de toekomst zullen we bijdragen aan de revitalisering van de waterstofeconomie door de ontwikkeling van zuurstofgenererende elektrodekatalysatoren met katalytische efficiëntie en duurzaamheid.”