MO-gedoteerde Ni₂p Nanorings Boost zeewater-elektrolyse voor waterstofproductie

Brandende fossiele brandstoffen heeft geleid tot een wereldwijde energiecrisis, verergerende vervuiling en klimaatverandering. Om dit probleem aan te pakken, moeten we alternatieven voor schonere energie verkennen. Een veelbelovende oplossing is het gebruik van waterelektrolysetechnologie (elektrolyzer) aangedreven door hernieuwbare elektriciteit om hoogwaardige waterstof (H₂) brandstof te produceren.

Momenteel vertrouwen de meeste systemen voor het produceren van waterstof op zuiver water. De beperkte beschikbaarheid van zuiver water maakt het echter moeilijk om deze technologie op te schalen. Aan de andere kant biedt zeewater, dat ongeveer 97% van het aardoppervlak bedekt, een eindeloze toevoer van waterstof.

Ondanks zijn overvloed, biedt het gebruik van zeewater voor waterstofproductie uitdagingen vanwege de complexe samenstelling, die grote hoeveelheden zouten zoals chloride, natrium en magnesium omvat.

Er ontstaan ​​twee belangrijke problemen bij het gebruik van zeewater voor elektrolyse:

1. Ongewenste chemische reacties: het chloor in zeewater heeft de neiging sneller te reageren dan de zuurstof die we willen produceren, het creëren van concurrentie en het verminderen van efficiëntie.
2. Elektrodeschade: hoge chloridegehalte veroorzaakt corrosie, wat de efficiëntie en levensduur van het systeem verlaagt.

Om deze uitdagingen te overwinnen, werken onderzoekers aan het ontwikkelen van geavanceerde katalysatoren die efficiënt met onbehandeld zeewater kunnen omgaan. Deze katalysatoren zouden de zuurstofproductie helpen prioriteren, terwijl ze zich verzetten tegen chloorgerelateerde schade, waardoor grootschalige waterstofproductie van zeewater praktischer wordt.

Verhaal van gedoteerde ni₂P elektrokatalysatoren

Er is een groeiende interesse in het ontwikkelen van betaalbare alternatieven voor edelmetaalkatalysatoren voor het splitsen van water, een proces dat wordt gebruikt om schone waterstofbrandstof te produceren. Onder deze hebben overgangsmetaalfosfiden (TMP’s) aanzienlijke aandacht gekregen vanwege hun veelzijdige samenstellingen, uitstekende geleidbaarheid en gunstige elektronische eigenschappen.

Een TMP van bijzonder belang is Ni₂P (nikkelfosfide). Ondanks hun potentieel staan ​​TMP’s voor uitdagingen zoals een beperkt aantal actieve plaatsen, instabiliteit tijdens reacties en interferentie van chloorgerelateerde reacties (CER-vergiftiging).

Om deze problemen aan te pakken, doping ni₂P met molybdeen (MO) heeft veelbelovende resultaten laten zien. De combinatie van Mo en Ni creëert sterke elektronische interacties, betere adsorptie van actieve soorten en structurele verbeteringen als gevolg van roostervervorming. De beperkte oppervlakteblootstelling van Mo-gedoteerde Ni₂P blijft een barrière om zijn katalytische prestaties voor het splitsen van water volledig te optimaliseren.

Huidige ontwikkeling

Gezien deze uitdagingen, ontwikkelde ons team, geleid door Sasanka Deka van het Department of Chemistry, University of Delhi, Delhi, een nieuwe elektrokatalysator op nanocomposiet die zowel zeer efficiënt als kosteneffectief is voor het splitsen van zeewater. We hebben een nieuwe torusvormige (donut- of ringvormige) mo-gedoteerde Ni ontwikkeld₂P nanodeeltje (NP) door vormtechniek.

Om dit te bereiken, hebben we een nieuwe methode op hoge temperatuur gebruikt die is ontworpen om meer {0001} facetten bloot te leggen. Door de hoeveelheid afdekmiddel en fosforvoorloper bij 350 ° C te vergroten, hebben we een agressief Kirkendall-effect geïnduceerd, waardoor uiterlijke diffusie werd vergemakkelijk₂P -deeltjes verdwenen.

Deze unieke vorm biedt een groter oppervlak en een hogere dichtheid van onverzadigde oppervlakte-atomen in vergelijking met conventionele sferische deeltjes, zoals ondersteund door oppervlakte-tot-volume verhouding vergelijkingen. Dit markeert de eerste torus-vormige nanodeeltjes met monodispers en zijn met succes geproduceerd en gebruikt als elektrokatalysatoren voor directe elektrolyse van zeewater (SWE).

Ons geoptimaliseerde ontwerp introduceerde niet alleen deze nieuwe donutvormige mo-gedoteerde Ni₂P nanodeeltjes maar bereikte ook een van de laagste celspanningen voor totale watersplitsing (OWS) in directe SWE -toepassingen, samen met uitstekende stabiliteit. Onze bevindingen zijn gepubliceerd in het dagboek Klein.

Wanneer de MO_0,1Ni_1.9P || MO_0,1Ni_1.9P -paar wordt gebruikt als bifunctionele elektrokatalysatoren voor algehele watersplitsing in een alkalische omgeving, het vereist slechts 1,45 V in 1,0 m KOH en 1,47 V in alkalisch zeewater bij een stroomdichtheid van 10 ma/cm². Bovendien vertoont het paar uitstekende stabiliteit, waarbij de prestaties meer dan 80 uur worden gehandhaafd bij een hoge stroomdichtheid van 400 mA/cm² in alkalisch zeewater.

Als een proof of concept wordt in dit werk ook een video van directe zonne -energie op waterstofergie gegeven met behulp van de huidige elektrolyzer en MO_0,1Ni_1.9P || MO_0,1Ni_1.9P Paar elektroden. Hier was een doe-het-zelf-zonnepaneelkit rechtstreeks verbonden met de anode en kathode, waar een laag mo_0,1Ni_1.9P -pasta werd afgezet.

Vergeleken met ongedoteerde Ni₂P en andere vormen, de mo-doted ni₂P nanoringen vertonen aanzienlijk verbeterde elektrochemische prestaties voor zowel de waterstofevolutiereactie (HER) als de zuurstofevolutiereactie (OER) in alkalische elektrolyten. De geoptimaliseerde MO_0,1Ni_1.9P -katalysator toont lage overpotentialen en Tafel -hellingen naast hoge omzetfrequenties, massale activiteiten en wisselkoersdichtheden.

Industrieel relevante stroomdichtheden van 500 en 1000 Ma/cm² werden bereikt bij record-lage spanningen van 1,81 en 1,86 V bij 25 ° C en 1,77 en 1,82 V bij 75 ° C voor totale alkalische zeewatersplitsing. De katalysator is ook zeer stabiel onder industriële 30 gew.% KOH -toestand.

Samenvattend worden al deze verbeteringen toegeschreven aan de dubbele actieve metaalcentra en de unieke ringvormige morfologie. Het nieuwste syntheseprotocol introduceert een uniek gevormde mo-gedoteerde Ni₂P-elektrokatalysator met een aanzienlijk potentieel voor grootschalige industriële productie. Het biedt ook waardevolle inzichten in de betrokken oppervlaktemechanismen.

Dit verhaal maakt deel uit van Science x dialoogvensterwaar onderzoekers bevindingen kunnen rapporteren uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen. Bezoek deze pagina Voor informatie over het dialoogvenster Wetenschap X en hoe u kunt deelnemen.