Core-shell nanocluster katalysator maakt een zeer efficiënte, goedkope en milieuvriendelijke waterstofproductie mogelijk

Een Koreaans onderzoeksteam heeft met succes een geavanceerde elektrochemische katalysator ontwikkeld. Deze innovatie zal naar verwachting de volgende generatie duurzame waterstofproductie leiden.

De nieuw ontwikkelde katalysator beschikt over een op ruthenium (RU) gebaseerde nanocluster met een kernschaalstructuur. Ondanks het gebruik van slechts een minimale hoeveelheid edelmetaal, levert het prestaties van wereldklasse en uitzonderlijke stabiliteit. Bovendien vertoonde het, wanneer toegepast op industriële waterelektrolyseapparatuur, een opmerkelijke efficiëntie, wat het potentieel voor commerciële toepassingen benadrukt.

Dit onderzoek was gepubliceerd in Energie- en milieuwetenschap.

Waterstof wordt algemeen beschouwd als een schone energiebron omdat het geen kooldioxide uitzendt wanneer het wordt verbrand, waardoor het een veelbelovend alternatief is voor fossiele brandstoffen. Een van de meest efficiënte manieren om milieuvriendelijke waterstof te produceren, is door waterelektrolyse, die water splitst in waterstof en zuurstof met behulp van elektriciteit.

Onder verschillende elektrolysemethoden, wordt anionuitwisselingsmembraanwaterelektrolyse (AEMWE) aandacht gekregen als een technologie van de volgende generatie vanwege het vermogen om waterstof met veel zuiverheid te produceren. Om AEMWE commercieel levensvatbaar te zijn, vereist het echter katalysatoren die zowel een hoge efficiëntie als stabiliteit op lange termijn bieden.

Momenteel is Platinum (PT) de meest gebruikte katalysator voor waterstofproductie, maar de hoge kosten en snelle afbraak vormen aanzienlijke uitdagingen. Hoewel onderzoekers niet-precious metaalalternatieven hebben onderzocht, lijden deze materialen meestal aan een laag rendement en slechte stabiliteit, waardoor ze ongeschikt zijn voor industrieel gebruik.

Om deze beperkingen te overwinnen, ontwikkelde het onderzoeksteam onder leiding van professor Jin Young Kim van het Department of Materials Science and Engineering, in samenwerking met professor Chan Woo Lee van Kookmin University en Dr. Sung Jong Yoo van het Korea Institute of Science and Technology (KIST), een nieuwe Core-Shell Nanocluster Catalyst op basis van Ruthenium (Ru), die meer dan tweemaal als kosten-effectieve as-effecten platinum is.

Door de katalysatorgrootte te verminderen tot onder 2 nanometers (NM) en het minimaliseren van de hoeveelheid edelmetaal tot slechts een derde van wat wordt gebruikt in conventionele op platina gebaseerde elektroden, behaalde het team superieure prestaties, die die van bestaande platinakatalysators overtreffen.

De nieuw ontwikkelde katalysator vertoonde 4,4 keer hogere prestaties dan platinakatalysatoren met hetzelfde edelmetaalgehalte, waardoor een nieuwe benchmark werd vastgesteld in de efficiëntie van de waterstofevolutie. Bovendien registreerde het de hoogste prestaties ooit gerapporteerd onder waterstofevolutiekatalysatoren.

De unieke schuimelektrodestructuur optimaliseert de toevoer van reactiematerialen, waardoor uitstekende stabiliteit zorgt, zelfs onder hoge stroomdichtheden.

Bij industriële AEMWE-testen vereiste de nieuwe katalysator aanzienlijk minder vermogen in vergelijking met commerciële platinakatalysatoren. Dit resultaat stolt het potentieel als een game-veranderende oplossing voor de volgende generatie waterelektrolysetechnologie.

Het ontwikkelingsproces omvatte verschillende belangrijke innovaties. Ten eerste behandelde het onderzoeksteam een ​​titaniumschuimsubstraat met waterstofperoxide om een ​​dunne titaniumoxidelaag te vormen.

Dit werd gevolgd door doping met het overgangsmetaal molybdeen (MO). Vervolgens werden rutheniumoxide -nanodeeltjes, die slechts 1-2 nm groot waren, uniform afgezet op het gemodificeerde substraat.

Een precieze thermische behandeling met lage temperatuur veroorzaakte diffusie op atoomniveau, waardoor de kernschaalstructuur wordt gevormd. Tijdens de waterstofevolutiereactie verbeterde een elektrochemisch reductieproces de eigenschappen van het materiaal verder, resulterend in een rutheniummetaalkern ingekapseld door een poreuze gereduceerde titania -monolaag, met metallische molybdeenatomen die op het grensvlak worden geplaatst.

Vooruitkijkend wordt verwacht dat de core-shell nanocluster-katalysator de efficiëntie van de waterstofproductie aanzienlijk zal verbeteren, terwijl de hoeveelheid noodzakelijke benodigde edelmetaal drastisch wordt verminderd, waardoor de productiekosten uiteindelijk worden verlaagd.

De combinatie van hoge prestaties en economische haalbaarheid maakt het een sterke kandidaat voor gebruik in waterstofbrandstofcellen voor voertuigen, milieuvriendelijke transportsystemen, waterstofmogelijkheden en verschillende industriële toepassingen.

Afgezien van zijn praktische toepassingen, is deze doorbraak een belangrijke technologische vooruitgang die de overgang van fossiele brandstofgebaseerde energiesystemen naar een waterstof-aangedreven economie zou kunnen versnellen.

Professor Jin Young Kim benadrukte de impact van het onderzoek en verklaarde: “De Core-Shell-katalysator, ondanks dat hij kleiner is dan 2 nanometers, toont opmerkelijke prestaties en stabiliteit. Deze doorbraak zal aanzienlijk bijdragen aan de ontwikkeling van Nano Core-Shell Device Fabrication Technology en Hydrogen Production, die ons dichter bij een koolstofneutrale toekomst brengt.”

Ondertussen is Dr. Hyun Woo Lim, de eerste auteur van de studie, geselecteerd voor het Sejong Fellowship -programma van de regering en zet zijn onderzoek voort als postdoctorale fellow in het lab van professor Kim aan de Seoul National University.

Zijn huidige focus ligt op het verder ontwikkelen en commercialiseren van de Core-Shell Catalyst-technologie.