Vysoce účinný a levný katalyzátor pro elektrolýzu vody

Výzkumný tým vedený profesorem Sangaraju Shanmugamem z oddělení energetických věd a inženýrství na DGIST vyvinul díky spolupráci s výzkumnou skupinou Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) vysoce účinný, ultratrvalý nanostrukturovaný elektrokatalyzátor core-shell a úspěšně nahradil vzácnou anodu při elektrolýze vody.

Nahrada konvenčních paliv obnovitelnými zdroji energie je vhodným přístupem k dosažení ekologicky šetrného životního prostředí a snížení budoucí energetické náročnosti. Proto se elektrochemické výrobě nebo konverzi energie v zařízeních na výrobu energie z obnovitelných zdrojů, která závisí na reakcích na anodě a katodě, věnuje velká pozornost.

Při elektrokatalytickém štěpení vody vzniká v anodě plynný kyslík v důsledku reakce vývinu kyslíku (OER), což je ve srovnání s reakcí vývinu vodíku (HER) pomalá elektrochemická reakce. Pro stabilní elektrokatalytické štěpení vody je tedy zapotřebí vhodný elektrokatalyzátor.

Vývoj účinných, odolných a levných elektrokatalyzátorů OER je důležitý pro energetická zařízení s vodním elektrolyzérem. Až dosud byly oxidy ruthenia a iridia považovány za nejmodernější elektrokatalyzátory v OER, ale nedostatečná stabilita omezuje jejich použití při rozsáhlém štěpení vody, což brání jejich široké komercializaci.

Tým profesora Shanmugama se spolu s výzkumníky z PNNL zaměřil na vývoj alternativního levného elektrokatalyzátoru z neušlechtilých kovů, který by nahradil anodovou elektrodu z ušlechtilých kovů při účinném štěpení vody. Kov s podporou uhlíku je považován za účinný elektrokatalytický materiál pro zvýšení OER při štěpení vody. Většina dosud vyvinutých elektrokatalyzátorů se vyznačuje vyšším obsahem uhlíku a nižším obsahem aktivních kovových specií. Vyšší množství uhlíku zahltilo skutečná aktivní místa kovu a vedlo k rychlejší korozi uhlíku. To vedlo k nižší elektrokatalytické aktivitě.

Vědci ve studii zjistili, že velké množství anorganických kobaltových kovových iontů přemostěných organickými ligandy v pruské modři je vhodným prekurzorem pro vývoj ultrastabilních, na kovy bohatých, dusíkem dopovaných grafitových nanouhlíkových elektrokatalyzátorů s jádrem ve slupce pro pomalé OER (anodu) při štěpení vody.

Při zahřívání (600 až 900 °C) v inertní atmosféře se kovové ionty kobaltu a organické ligandy v soli přemění na kovový kobalt a dusíkem dopované grafitické tenké uhlíkové vrstvy, respektive se vytvoří tenké uhlíkové vrstvy, zapouzdřené kovové, kobaltové jádro-plášťové nanostruktury (Core-Shell Co@NC). Tenké uhlíkové vrstvy mají silnou interakci s kovovým kobaltem, což podporuje menší korozi uhlíku, vykazují vynikající pohyb elektronů a mají větší expozici kovového kobaltu vůči reakčnímu prostředí, včetně tvorby morfologie v nanorozměrech bez agregace částic.

Kombinovaný účinek uhlíku a kovového kobaltu v elektrodách dosahuje účinnější elektrokatalytické aktivity OER než elektrody z drahých kovů pro účinné štěpení vody. Elektroda bohatá na neušlechtilé kovy je proto alternativní, aktivní, stabilní a levnější OER anodou pro nákladově efektivní výrobu H2 plynu při elektrolýze vody v komerčním měřítku.

„Předpokládáme, že se jedná o jedinečný přístup k vývoji kompozitních nanostruktur bohatých na kovy s redukovaným uhlíkem, které mají vylepšená kovová aktivní místa, jež se vyznačují ochranou tenkou vrstvou uhlíku a ultrarychlým pohybem elektronů v povrchu katalyzátoru, což zvýší elektrochemickou aktivitu a stabilitu elektrokatalyzátorů,“ říká profesor Shanmugam. „Budeme provádět navazující studie, které mohou sloužit k pochopení skutečného mechanismu OER na aktivních druzích v přítomnosti nanouhlíkového povlaku.“

Tento výsledek výzkumu byl 11. ledna 2018 publikován v online vydání Advanced Energy Materials, renomovaného mezinárodního časopisu v oblasti vznikajících materiálů.

Rozhovor s profesorem Sangaraju Shanmugamem (Katedra energetických věd & inženýrství):

Q. Jaké jsou rozdíly oproti předchozím studiím?

A. V předchozích studiích vědci připravovali kovy potažené uhlíkem z různých prekurzorů, včetně kovově-organických rámců (MOF). Získané katalyzátory vykazují více uhlíku se sníženou grafitickou povahou a uhlík pokryl aktivní kovová místa. Většina aktivních kovových míst tak není řádně využita při elektrochemických reakcích. Kvůli značné korozi uhlíku nejsou tyto katalyzátory také dostatečně vhodné pro pomalé OER při štěpení vody při vyšším kladném potenciálu s nedostatečnou nestabilitou v drsných podmínkách elektrolytu. V souladu s tím jsme v této práci připravili na kovy bohatý, tenkými vrstvami nanouhlíku (NC) zapouzdřený elektrokatalyzátor jádrových nanostruktur Co@NC z jediného prekurzoru analogu pruské modři (PB). Co@NC vykazoval zvýšenou aktivitu při vývinu kyslíku a ultrastabilitu na proudovém kolektoru niklové pěny. Celkově lze říci, že tenké a rovnoměrné uhlíkové vrstvy zajišťují rychlý pohyb elektronů, využití více kovových aktivních míst se snadným průnikem elektrolytu. A co je nejdůležitější, může chránit aktivní kovová místa před korozí s minimální expozicí a také silná interakce mezi kovovými a uhlíkovými vrstvami vykazuje synergický efekt směrem k vynikající aktivitě a ultrastabilitě (přes 350 h) nanostruktur Co@NC s jádrem a menší možností oxidace uhlíku.

Q. Jak se dá využít?

A. Na základě pozoruhodného výkonu OER, kinetiky a dlouhodobé stability core-shell Co@NC nanostruktur ve srovnání s nejmodernějšími elektrokatalyzátory na bázi ušlechtilých kovů, jako jsou IrO2 a RuO2, je nejvhodnějším kandidátem na náhradu OER elektrod z ušlechtilých kovů pro snížení celkových nákladů na systém vodního elektrolyzéru. Vývoj účinného a odolného elektrokatalyzátoru z neušlechtilých kovů v elektrolyzéru vody je tedy hlavní překážkou pro úspěšnou komercializaci elektrolyzérů vody.

Q. Jak dlouho bude trvat komercializace?

A. Tento postup je snadno dostupný pro výrobu nákladově efektivních katalyzátorů. Stále však musíme vyhodnotit integraci tohoto katalytického systému do polymerního elektrolytového membránového elektrolyzéru . probíhají studie k pochopení mechanismu OER na tomto elektrokatalyzátoru. Takže pro komercializaci to může vyžadovat rok s úplným pochopením aktivity a stability.

Q. Jaké jsou výzvy pro komercializaci?

A. Musíme vytvořit rovnoměrný povlak tohoto katalyzátoru na proudových kolektorech větších rozměrů bez odlupování. Musíme tedy najít vhodnější metodiku nanášení povlaku. Stejně jako u vzácných elektrokatalyzátorů OER musíme také pochopit přesný mechanismus OER na tomto elektrokatalyzátoru, abychom zachovali/vyhnuli se ztrátám aktivity v důsledku nežádoucích vedlejších reakcí atd.

Q. Jaká je motivace vašeho výzkumu?

A. Hlavní motivací této práce je nahradit vzácnou anodu v systémech vodních elektrolyzérů s vysokou aktivitou a stabilitou. Abychom tedy zlepšili aktivitu a stabilitu, pokusili jsme se zavést velmi tenký uhlíkový povlak na kovová aktivní místa. Celkově lze říci, že vývoj elektrokatalyzátorů OER bohatých na kovy a s menším obsahem uhlíku se správným využitím kovově aktivních látek a synergického efektu kovu a uhlíku k překonání pomalé anodové reakce při elektrolýze vody.

Q. Jakého konečného cíle byste chtěli tímto výzkumem dosáhnout?

A. Na základě tohoto výzkumu jsme pochopili, že elektrokatalyzátory bohaté na kovy patří mezi nejvhodnější materiály pro vynikající aktivitu OER. Chceme tedy stejnou metodikou připravit nejlevnější anodové elektrokatalyzátory a eliminovat použití drahých elektrod v systému vodního elektrolyzéru pro výrobu ekologického a udržitelného vodíku ve velkém měřítku.