Een defect is niet altijd een slechte zaak. Als het gaat om het verbeteren van het elektrokatalyseproces dat schoon brandend waterstofgas produceert, zou het zelfs een heel goede zaak kunnen zijn. Onderzoekers in China ontwikkelden een elektrokatalysator – die een gewenste reactie versnelt – met zowel amorfe als kristallijne architecturen die defecten in de atomaire structuur bevatten. Door de defecten kan de elektrokatalysator “superieure” reactieactiviteit veroorzaken, meldde het team.
Ze publiceerden hun resultaten Nano-onderzoeksenergie.
“Waterstofopwekking uit waterelektrolyse – of het gebruik van elektrische stroom om water te splitsen om waterstof van zuurstof te scheiden – aangedreven door hernieuwbare energie is een veelbelovende technologie om de energie- en milieucrisis te verminderen en op te lossen”, zegt Cuiling Li, een professor aan de Chinese Academie of Sciences’ Technical Institute of Physics and Chemistry, die ook verbonden is aan het Beijing Institute of Technology en het Binzhou Institute of Technology.
Zuurstofevolutiereactie is de anodische reactie van waterelektrolyse, waarbij gelijkstroom een chemische reactie veroorzaakt die de zuurstofmoleculen van de watermoleculen splitst. Li noemde deze reactie echter “een traag proces”, en het beperkt de elektrolyse van water als een duurzaam mechanisme om waterstofgas te produceren. Volgens Li is de zuurstofontwikkelingsreactie traag omdat er veel kracht voor nodig is om te activeren hoe de moleculen hun bestanddelen overdragen, maar het zou kunnen worden versneld met minder kracht als het wordt geïntegreerd met efficiëntere katalysatoren.
“Het benutten van efficiënte elektrokatalysatoren voor de zuurstofevolutiereactie is van het grootste belang voor de ontwikkeling van elektrochemische apparaten voor de omzetting van schone energie,” zei Li.
De onderzoekers wendden zich tot rutheniumoxide, een goedkopere katalysator die zich minder hecht aan reactanten en tussenproducten dan andere katalysatoren.
“Op rutheniumoxide gebaseerde nanomaterialen met betere zuurstofevolutiereactieprestaties in vergelijking met commerciële producten zijn gerapporteerd, terwijl meer geavanceerde ontwerpstrategieën voor elektrokatalysatoren om efficiëntere katalytische prestaties op te roepen dringend nodig zijn en grotendeels onontgonnen,” zei Li.
Om deze leemte op te vullen, synthetiseerden de onderzoekers rutheniumoxide poreuze deeltjes. Vervolgens behandelden ze de deeltjes om rationeel gereguleerde heterofasen te produceren, wat betekent dat de deeltjes verschillende architecturen bevatten die met elkaar zijn geïntegreerd. De poreuze en heterofasestructuur zorgt voor de defecten – in wezen inkepingen in de atomaire structuur – waardoor meer actieve plaatsen voor de zuurstofevolutiereactie efficiënter kunnen verlopen, volgens Li.
“Profiterend van de overvloedige defecten, kristalgrenzen en actieve toegankelijkheid van de resulterende monsters, werden superieure reactieprestaties voor zuurstofevolutie aangetoond”, zei Li, die uitlegde dat de geconstrueerde elektrokatalysatoren niet alleen een betere zuurstofevolutiereactie produceren, maar ook met minder elektriciteit die het proces aandrijft. “Deze studie toont het belang aan van fase-engineering en biedt een nieuwe weg voor het ontwerp en de synthese van strategieën-gecombineerde katalysatoren.”
Meer informatie:
Chengming Wang et al, Phase engineering georiënteerde defectrijke amorfe/kristallijne RuO 2 nanoporeuze deeltjes voor het stimuleren van de zuurstofevolutiereactie in zure media, Nano-onderzoeksenergie (2023). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120070
Aangeboden door Tsinghua University Press