Tunable nanosheet katalysator belooft goedkopere groene waterstofproductie

Om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en klimaatverandering te bestrijden, heeft de wereld dringend schoon en hernieuwbare energiebronnen nodig. Waterstof is zo’n schone energiebron die nul koolstofgehalte heeft en veel meer energie opslaat dan benzine dan benzine.

Een veelbelovende methode om waterstof te produceren is elektrochemisch watersplitsing, een proces dat elektriciteit gebruikt om water in waterstof en zuurstof af te breken. In combinatie met hernieuwbare energiebronnen biedt deze methode een duurzame manier om waterstof te produceren en kan hij bijdragen aan de vermindering van broeikasgassen.

Helaas is grootschalige productie van waterstof met behulp van deze methode momenteel onhaalbaar vanwege de behoefte aan katalysatoren gemaakt van dure zeldzame aardmetalen. Bijgevolg onderzoeken onderzoekers meer betaalbare elektrokatalysatoren, zoals die gemaakt van verschillende overgangsmetalen en verbindingen.

Onder deze hebben overgangsmetaalfosfiden (TMP’s) veel aandacht getrokken als katalysatoren voor de waterstofgenererende zijde van het proces, bekend als waterstofevolutiereactie (haar), vanwege hun gunstige eigenschappen.

Ze presteren echter slecht in de zuurstofevolutiereactie (OER), wat de algehele efficiëntie vermindert. Eerdere studies suggereren dat boor (B) -doping in TMP’s zowel haar als OER-prestaties kan verbeteren, maar tot nu toe was het maken van dergelijke materialen een uitdaging.

In een recente doorbraak heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Seunghyun Lee, waaronder de heer Dun Chan Cha, van de Hanyang University Erica Campus in Zuid-Korea, een nieuw type instelbare elektrokatalysator ontwikkeld met behulp van B-gedoteerde kobaltfosfide (COP) nanosheets.

Prof. Lee legt uit: “We hebben met succes op kobaltfosfide gebaseerde nanomaterialen ontwikkeld door het aan te passen aan boordoping- en fosforgehalte met metaalorganische kaders. Deze materialen hebben betere prestaties en lagere kosten dan conventionele elektrokatalysatoren, waardoor ze geschikt zijn voor grootschalige hydrogenproductie.”

Hun studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Klein.

De onderzoekers gebruikten een innovatieve strategie om deze materialen te maken, met behulp van kobalt (CO) gebaseerde metaal-organische frameworks (MOFS). “MOF’s zijn uitstekende voorlopers voor het ontwerpen en synthetiseren van nanomaterialen met de vereiste compositie en structuren”, merkt de heer Cha op.

Eerst groeiden ze co-MOF’s op nikkelschuim (NF). Vervolgens hebben ze dit materiaal onderworpen aan een post-synthese modificatie (PSM) reactie met natriumborohydride (NABH₄), resulterend in de integratie van B. Dit werd opgevolgd door een fosforisatieproces met behulp van verschillende hoeveelheden natriumhypofosfiet (NAH₂Po₂), resulterend in de vorming van drie verschillende monsters van B-gedoteerde kobaltfosfide nanosheets (B-COP@NC/NF).

Experimenten onthulden dat alle drie de monsters een groot oppervlak hadden en een mesoporeuze structuur, belangrijke kenmerken die de elektrokatalytische activiteit verbeteren. Als gevolg hiervan vertoonden alle drie de monsters een uitstekende OER en haar prestaties, waarbij het monster werd gemaakt met 0,5 gram NAH2PO2 (B-COP_0,5@NC/NF) de beste resultaten demonstreren. Interessant is dat deze steekproef overpotentialen van 248 en 95 mV voor OER en haar, respectievelijk, veel lager dan eerder gerapporteerde elektrokatalysatoren vertoonde.

Een alkalische elektrolyzer ontwikkeld met behulp van de B-COP_0,5@NC/NF -elektroden vertoonden een celpotentiaal van slechts 1,59 V bij een stroomdichtheid van 10 ma cm^-2lager dan veel recente elektrolyzers. Bovendien bij hoge stroomdichtheden boven 50 ma cm^-2het overtrof zelfs de state-of-the-art ruo₂/NF (+) en 20% PT-C/NF (-) elektrolyzer, terwijl hij ook stabiliteit op de lange termijn aantoont, waardoor de prestaties gedurende meer dan 100 uur worden gehandhaafd.

Dichtheid functionele theorie (DFT) berekeningen ondersteunden deze bevindingen en verduidelijkten de rol van B-doping en het aanpassen van P-inhoud. In het bijzonder leidden B-doping en optimaal P-gehalte tot effectieve interactie met reactietussenproducten, wat leidde tot uitzonderlijke elektrokatalytische prestaties.

“Onze bevindingen bieden een blauwdruk voor het ontwerpen en synthetiseren van de volgende generatie zeer efficiënte katalysatoren die de productiekosten van de waterstofproductie drastisch kunnen verlagen”, zegt prof. Lee.

“Dit is een belangrijke stap om grootschalige groene waterstofproductie een realiteit te maken, wat uiteindelijk zal helpen bij het verminderen van de wereldwijde koolstofemissies en het verminderen van klimaatverandering.”