Nikkel-nanodraden in met plasma behandelde nanobuisjes stimuleren de waterstofproductie uit ureum

Onderzoekers van Skoltech hebben een veelbelovende katalysator ontwikkeld om een ​​chemische reactie te versnellen waarbij schone waterstof als brandstof wordt geproduceerd uit het ureum in afvalwater. Hoewel bekend is dat dit proces wordt gekatalyseerd door verschillende vormen van nikkel, heeft het team nu aangetoond dat nanodraden van dat metaal ingebed in opzettelijk defecte koolstofnanobuisjes die zijn behandeld met stikstofplasma bijzonder geschikt zijn om de agressieve alkalische omgeving van de reactie te weerstaan.

Dit maakt de nieuwe katalysator op nikkelbasis niet alleen effectief, maar ook langdurig, wat een belangrijk voordeel is voor toekomstige elektrolysers die waterstof op een schone manier produceren en tegelijkertijd ureum uit afvalwater verwijderen. De bevindingen zijn gemeld in het journaal Klein.

“Nu de mensheid fossiele brandstoffen geleidelijk afbouwt, is een van de belangrijkste beschikbare manieren om schone energie op te slaan de vorm van waterstofbrandstof. Er worden meerdere industrieel relevante chemische reacties gebruikt om waterstof te produceren, die allemaal afhankelijk zijn van katalysatoren. Ureumoxidatie is een veelbelovende aanpak, omdat het minder energie verbruikt dan andere concurrerende processen en omdat het tevens dienst doet als afvalwaterzuiveringstechniek.

“We hebben het katalysatormateriaal geoptimaliseerd, waardoor de afbraak ervan in de barre reactieomgeving wordt verminderd. Dit zou later kunnen worden gebruikt in elektrolysers die waterstof produceren”, zegt de eerste auteur van de studie, Aliya Vildanova, een onderzoeksstagiaire bij het Laboratorium voor Nanomaterialen van Skoltech Photonics en een Ph.D. student in het Materials Science and Engineering-programma van het Instituut.

De manier waarop het team de katalysator beschermde tegen de barre reactieomgeving is door nikkel in te bedden in enkelwandige koolstofnanobuisjes: cilindervormige nanogrootteformaties van koolstofatomen. Dit is bij die reactie nog niet eerder voor dat specifieke metaal gedaan.

“Edelmetalen zoals platina en palladium zijn de meest prominente katalysatoren. Ingekapseld in nanobuisjes zijn ze gebruikt in waterstofgerelateerde katalytische reacties en ureumoxidatie. Hoewel hun prestaties voor de laatstgenoemde processen niet uitmuntend zijn, demonstreren nikkel en nikkeloxide de beste resultaten”, aldus medeauteur van de studie, assistent-professor Fedor Fedorov van Skoltech Photonics.

“Nikkel en zijn oxide zijn echter gevoelig voor afbraak in de barre omstandigheden die verband houden met deze processen. Wanneer nikkel wordt opgesloten in enkelwandige koolstofnanobuisjes, zien we veel betere resultaten – een aanpak die nog niet eerder is gerapporteerd als katalysator voor ureumoxidatie.”

De hoofdonderzoeker van het onderzoek, professor Albert Nasibulin van Skoltech Photonics, zei: “We voegen nog een extra draai toe door de koolstofnanobuisjes gedurende een zorgvuldig gecontroleerde periode bloot te stellen aan stikstofplasma voordat ze nikkel inbedden. Het plasma veroorzaakt defecten in nanobuisjes, die je je kunt voorstellen als gaten in hun wanden.

“Deze defecten spelen twee rollen: ten eerste dienen ze als inlaten, waardoor meer nikkel zijn weg naar de nanobuisjes kan vinden, wat resulteert in langere nanodraden en dus betere prestaties. Ten tweede bleken de defecten te werken als actieve plaatsen van katalyse. Dat wil zeggen, door de reactanten in de nabijheid van de nikkelkatalysator aan te trekken, versnellen ze de reactie verder.”

De optimale wijze van plasmabehandeling die alle juiste defecten veroorzaakt, werd eerst onderzocht door middel van moleculaire dynamica-simulaties en vervolgens experimenteel bevestigd door de onderzoekers.

Het team meldt dat de enkelwandige koolstofnanobuisjes geladen met nikkel goede prestaties vertonen, gemeten als katalytische activiteit per massa-eenheid, vergeleken met metaalschuimen en andere vormen van nikkel. De nieuwe katalysator is duidelijk superieur wat betreft zijn levensduur. Bij tests daalde de activiteit met minder dan 2% na 1000 gebruikscycli.