Op nanocomposiet gebaseerde elektrokatalysator voor alkalische watersplitsing bij lage celspanning voor waterstofproductie

De afnemende conventionele energiebronnen op basis van fossiele brandstoffen en de daarmee samenhangende gevolgen voor het milieu hebben over de hele wereld de aandacht gevestigd op de ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen. Het kan zijn dat deze duurzame energiebronnen niet in de gehele energiebehoefte van de massabevolking van de wereld voorzien; ze beperken echter de effecten van broeikasgassen en luchtvervuiling veroorzaakt door de verbranding van fossiele brandstoffen. Van de alternatieve energiebronnen wordt waterstof beschouwd als de schoonste energiedrager.

Waterstof bestaat echter niet in zuivere vorm in de natuur, zoals zuurstof, en moet worden geproduceerd uit waterstofhoudende bronnen zoals aardgas (methaan), steenkool, biomassa en water door reforming, thermische ontleding of elektrolyse. Maar de productie van waterstof uit aardgas, steenkool en biomassa leidt tot de uitstoot van het broeikasgas kooldioxide (CO).₂).

We weten dat water (H₂O) is gemaakt van waterstof- en zuurstofatomen; daarom zou zeewater een grenzeloze bron van waterstof kunnen zijn. Daarom wordt waterstof gezien als een mogelijke vervanging van fossiele brandstoffen. Productie via stroom uit hernieuwbare energie (met behulp van windenergie, zonne-energie, waterkracht, golfenergie of iets dergelijks) wordt “groene waterstof” genoemd. In dit scenario is het splitsen van water in waterstof en zuurstof met behulp van hernieuwbare elektriciteit in een elektrolysator op het oppervlak van een robuuste elektrokatalysator een voorgestelde techniek.

Behoefte aan een robuuste elektrokatalysator

Ondanks de vooruitgang op dit gebied blijft het proces van waterspuwen om betaalbare groene waterstof te produceren nog steeds traag vanwege beperkingen die verband houden met efficiënte elektrokatalysatoren. In theorie splitst water zich bij 1,23 V. In de praktijk is deze waarde echter groter dan 1,5 V (wat verspilling van extra energie betekent). Deze minimale energie is theoretisch nodig om het watermolecuul te breken. Voor dit proces worden in de elektrolyseur dure elektrokatalysatoren op basis van edelmetalen en edelmetalen gebruikt, bijvoorbeeld Pt, Pd, Au, Rh, Ir, enz.

De belangrijkste problemen waarmee de industrie en deskundigen worden geconfronteerd, zijn de oxidatie van water om O te produceren₂ en de stabiliteit van de katalysator onder zware industriële alkalische omstandigheden. In het eerste probleem is de halfcelreactie een opwaartse reactie waarbij vier elektronen betrokken zijn en waarbij de meeste energie nodig is, afgezien van het energieverlies dat gepaard gaat met de soortelijke weerstand van verschillende componenten (elektrolyt, verbindingen, katalysator, enz.) de elektrolyseur. Bij het tweede probleem verliezen de dure katalysatoren vaak hun activiteit als gevolg van oppervlaktedegradatie. Onder deze omstandigheden is voor een dergelijke watersplitsingsreactie een goedkope en betaalbare maar toch zeer actieve en stabiele elektrokatalysator vereist.

Huidige ontwikkeling

In een recente studie heeft ons team, onder leiding van Sasanka Deka, een nieuwe, op nanocomposiet gebaseerde, zeer efficiënte en toch kosteneffectieve elektrokatalysator ontworpen en ontwikkeld voor de algehele watersplitsing. Een nanocomposiet is een homogeen mengsel van twee of meer materialen in het nanometerbereik. Het huidige nanocomposiet is een nanoarchitectuur gebaseerd op NiCu-dealloyed nanodeeltjes op hiërarchische Co-nanosheets. Onze bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift ACS-katalyse.

De gebruikte materialen zijn goedkoper dan de edelmetalen en de syntheseprocedure is zeer handig. Deze nieuwe katalysator werd gebruikt in een elektrolyseur in kaliumhydroxide (KOH)-elektrolyt voor het splitsen van water. Interessant is dat het systeem de splitsing van water en de productie van waterstofgas laat zien met behulp van de NiCu/Co-elektrokatalysator bij een celspanning van 1,46 V. De elektrokatalysator is dus in staat water te splitsen door alleen een huishoudelijke batterij van 1,5 volt te gebruiken.

Andere belangrijke punten van de NiCu/Co-elektrokatalysator zijn dat de productie van groene waterstof plaatsvindt met een industrieel belangrijke hoge stroomdichtheid, hoge stabiliteit (6.000 cycli) en duurzaamheid (60 uur) van de katalysator. Het werkt ook op industriële elektrolytcondities van 30 gew.% KOH-elektrolyt en de aangeboden celspanning is veel lager dan die van een commerciële IrO₂||Pt/C-katalysator.

Er zijn gedetailleerde experimentele en computationele onderzoeken uitgevoerd om de reden achter deze efficiëntie te begrijpen. De bevestigde resultaten ondersteunen onze initiële hypothese van selectieve uitloging van materialen om een ​​meer poreuze structuur te maken, en het gebruik van verschillende metaalcentra en vormen van materialen voor de ontwikkeling van waterstof en zuurstof.

Samenvattend hebben we een eenvoudige maar geavanceerde en kosteneffectieve methode ontwikkeld om een ​​op nanocomposiet gebaseerde, bifunctionele elektrokatalysator van gedealloyeerde NiCu op Co-nanoplaten te ontwerpen die water bij 1,46 V met grote stabiliteit kan splitsen. We hopen dat ons product nuttig kan zijn voor opschaling van de synthese en commercieel gebruik in elektrolyzers voor de productie van groene waterstof.

Dit verhaal maakt deel uit van Wetenschap X-dialoogwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.