Goedkope, op palladium gebaseerde nanosheet-katalysator komt overeen met de prestaties van Platinum in waterstofproductie

Waterstofenergie is in opkomst als een belangrijke motor van een schone, duurzame toekomst en biedt een nulemissie-alternatief voor fossiele brandstoffen. Hoewel het veelbelovend is, is de grootschalige productie van waterstof sterk afhankelijk van dure op platina gebaseerde katalysatoren, en daarom blijft betaalbaarheid een grote uitdaging voor de industrie.

Om dit te overtreffen, hebben onderzoekers van de Tokyo University of Science (TUS) een nieuwe waterstofevolutiekatalysator, BIS (Diimino) palladiumcoördinatie-nanosheets (PDDI) ontwikkeld, die voor een fractie van de kosten platina-achtige efficiëntie biedt. Hun studie was gepubliceerd in Chemie – Een Europees tijdschrift.

De studie werd geleid door Dr. Hiroaki Maeda en professor Hiroshi Nishihara van TUS in samenwerking met spraakmakende onderzoekers van de University of Tokyo, Japan Synchrotron Radiation Research Institute, Kyoto Institute of Technology, Riken Spring-8 Center en het National Institute for Materials Science, Japan.

De ontdekking markeert een doorbraak in de Hydrogen Evolution Reaction (haar) -technologie, een belangrijk proces bij het genereren van groene waterstofenergie. Haar komt voor bij het proces van elektrolytische splitsing van water voor het genereren van waterstof. De haar katalysatorelektroden, traditioneel gemaakt van platina, vergemakkelijken de omzetting van ontluikende waterstof ([H]) ―Gegenereerd aan het elektrodeoppervlak tijdens watersplitsing – Into waterstofgas (H₂).

Hoewel platina (PT) als haar katalysator zeer effectief is, verhogen de schaarste en hoge kosten de productiekosten aanzienlijk, waardoor de grootschalige toepassing wordt beperkt.

Met behulp van een eenvoudig syntheseproces en beperkte hoeveelheden edelmetalen bood het onderzoeksteam een ​​zeer efficiënt alternatief voor PT -katalysatoren. Het team fabriceerde op palladium-gebaseerde nanosheets die de katalytische activiteit kunnen maximaliseren en tegelijkertijd metaalgebruik kunnen worden geminimaliseerd, waardoor de kosten die verband houden met de H₂-productie drastisch verlagen.

“Het ontwikkelen van efficiënte haar elektrokatalysatoren is de sleutel tot duurzame H₂ -productie. BIS (diimino) metaalcoördinatie nanosheets, met hun hoge geleidbaarheid, groot oppervlak en efficiënte elektronenoverdracht, zijn veelbelovende kandidaten,” zegt hoofdonderzoeker, Dr. Maeda. “Bovendien vermindert hun schaarse metaalopstelling het gebruik van materiaal. Hier hebben we deze nanosheets met succes ontwikkeld met palladiummetaal.”

Het team ontwikkelde PDDI-nanosheets (C-PDDI en E-PDDI) met behulp van twee verschillende methoden: respectievelijk gas-vloeistof interfaciale synthese en elektrochemische oxidatie. Na het ondergaan van de activering vertoonden de E-PDDI-vellen een lage overpotentiaal van 34 mV en de overpotentiële overbotten van 35 mV, wat betekende dat zeer weinig extra energie nodig was om de waterstofproductie te stimuleren.

De uitwisselingsstroomdichtheid van 2,1 mA/cm² kwam ook overeen met de katalytische prestaties van het platina. De resultaten plaatsen daarom E-PDDI tot de meest efficiënte haar katalysatoren die tot nu toe zijn ontwikkeld, waardoor het een veelbelovend goedkoop alternatief voor platina is.

Een van de kritische aspecten van elke katalysator is de stabiliteit op lange termijn. Deze PDDI-nanosheets vertoonden een uitstekende duurzaamheid en bleven intact na 12 uur in zure omstandigheden, wat hun geschiktheid voor real-world waterstofproductiesystemen bevestigt. “Ons onderzoek brengt ons een stap dichter bij het maken van H₂ -productie goedkoper en duurzamer, een cruciale stap in het bereiken van een toekomstige toekomstige toekomst”, legt Dr. Maeda uit.

Bovendien, door het minimaliseren van de afhankelijkheid van schaarse en kostbare platina, komen PDDI nanosoets overeen met de duurzame ontwikkelingsdoelen van de Verenigde Naties (SDG’s): SDG 7 – Bevorderde betaalbare en schone energie, SDG 9 – Industry, Innovation en Infrastructure.

De implicaties van deze studie gaan verder dan laboratoriumexperimenten. De schaalbaarheid, verbeterde activiteit en kosteneffectiviteit van PDDI-nanosheets maken ze zeer aantrekkelijk voor industriële waterstofproductie, waterstofbrandstofcellen en grootschalige energieopslagsystemen.

Het vervangen van op platina gebaseerde katalysatoren door PDDI zou de ontslag van mijnbouw kunnen verminderen, waardoor de overgang naar een duurzame waterstofeconomie wordt versneld. Ook is de dichtheid van palladiumatomen 10 keer minder dan PT-atomen, waardoor de afhankelijkheid van kostbare PT-metalen wordt verminderd en de kosteneffectieve productie van elektroden benadert. De vervanging van PT door PDDI-nanosheets zal naar verwachting grote resultaten opleveren in auto’s, waterstofproductie en elektrode-leveringsindustrieën.

Naarmate het onderzoek vordert, wil het team van TUS PDDI -nanosheets voor commercialisering verder optimaliseren, wat bijdraagt ​​aan de ontwikkeling van een milieuvriendelijke waterstofmaatschappij.