Ultrafijne ruthenium-nanokristallen als alternatief voor platina voor een pH-universele waterstofontwikkelingsreactie

Momenteel is elektrokatalytische watersplitsing een van de meest goedkope, schone, betrouwbare, stille en betaalbare efficiënte waterstof van industriële kwaliteit (H₂) productietechnologieën. De meest effectieve op platina (Pt) gebaseerde katalysatoren voor de waterstofontwikkelingsreactie (HER) zijn echter onderhevig aan hoge prijzen en onvoldoende stabiliteit. Daarom zijn lage kosten, hoge efficiëntie en hoge stabiliteit HER-elektrokatalysatoren dringend nodig om op Pt gebaseerde elektrokatalysatoren te vervangen.

Rekening houdend met de veelbelovende activiteit, robuustheid en redelijke prijs van ruthenium en het hoge oppervlak en de uitstekende geleidbaarheid van op grafeen gebaseerde geavanceerde dragers, kunnen Ru-koolstof nanocomposieten een haalbare optie zijn voor HER. Het is echter nog steeds een uitdaging om de katalytische prestaties van Ru-koolstof nanocomposieten verder te verbeteren.

Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Yu Chen van de Shaanxi Normal University, China een hoogwaardige N-gedoteerde grafeen-aerogel ontworpen die Ru nanocrystal (Ru-NCs/N-GA) nanocomposieten ondersteunt. De reactievoorlopers van grafeenoxide (GO) en ruthenium(III)-polyallylamine (Ru^III-PAA) complex uniform verankerd in een grafeen aerogel dienen als de N-bron en Ru-bron.

De uniforme adsorptie van de Ru^III-PAA-complex kan leiden tot de homogene dispersie en ultrafijne grootte van Ru-nanokristallen op de grafeen-aerogel onder verwerking bij hoge temperatuur. Ru-NCs/N-GA met een poreuze structuur en een laag Ru-gehalte (10 gew.%) vertoont een vergelijkbare HER-activiteit met 20 gew.% Pt/C in zowel alkalische als zure media.

Over het algemeen zijn economisch haalbare Ru-NC’s/N-GA nanocomposieten met 10 gew.% Ru veelbelovende vervangers voor commerciële Pt/C-elektrokatalysator voor HER. De resultaten zijn gepubliceerd in Chinees tijdschrift voor katalyse.