Højeffektiv, billig katalysator til vandelektrolyse

Et forskerhold under ledelse af professor Sangaraju Shanmugam fra Energy Science and Engineering ved DGIST har udviklet en yderst effektiv, ultrahårdfør kerneskal-nanostruktureret elektrokatalysator og har med succes erstattet den dyrebare anode i vandelektrolyse gennem et samarbejde med forskningsgruppen fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Erstatning af konventionelle brændstoffer med vedvarende energikilder er en passende tilgang til at opnå et miljøvenligt miljø og mindske fremtidens energibehov. Derfor har elektrokemisk energiproduktion eller -konvertering i anordninger til vedvarende energi, som afhænger af anode- og katodereaktioner, fået stor opmærksomhed.

I elektrokatalytisk vandspaltning genereres der iltgas i anoden på grund af iltudviklingsreaktionen (OER), en langsom elektrokemisk reaktion sammenlignet med brintudviklingsreaktionen (HER). Der er således behov for en egnet elektrokatalysator til stabil elektrokatalytisk vandspaltning.

Udvikling af effektive, holdbare og billige OER-elektrokatalysatorer er vigtig for energienheder med vandelektrolyser. Hidtil har ruthenium- og iridiumoxiderne været betragtet som state-of-the-art elektrokatalysatorer i OER, men den manglende stabilitet begrænser deres anvendelse i storskala vandspaltning, hvilket hindrer udbredt kommercialisering.

Professor Shanmugams hold har sammen med forskere fra PNNL fokuseret på at udvikle en alternativ, billig, ikke-ædle metalelektrokatalysator til at erstatte den ædle metalanodeelektrode i effektiv vandspaltning. Kulstofunderstøttet metal anses for at være et effektivt elektrokatalytisk materiale til forbedret OER ved vandspaltning. Hidtil har de fleste af de udviklede elektrokatalysatorer haft et højere indhold af kulstof og et mindre indhold af aktive metalspecialer. Den højere kulstofmængde har tilsmudset de virkelige aktive metalpladser og resulteret i en hurtigere kulstofkorrosion. Dette førte til lavere elektrokatalytisk aktivitet.

I undersøgelsen fandt forskerne, at et stort antal uorganiske koboltmetalioner, der er brolagt af organiske ligander i preussisk blå, er en egnet forløber til udvikling af ultrastabile, metalrige, nitrogen-dopede grafitiske nanokulstofindkapslede core-shell-elektrokatalysatorer med nitrogen til den trægke OER (anode) i vandspaltning.

Ved opvarmning (600 til 900 grader C) i en inert atmosfære omdannes koboltmetalionerne og de organiske ligander i saltet til henholdsvis koboltmetal og nitrogen-doterede grafitiske tynde kulstoflag, som danner de tynde kulstoflag, indkapslede metalliske, metalliske, kobolt core-shell nanostrukturer (Core-Shell Co@NC). De tynde kulstoflag har en stærk interaktion med koboltmetal, som fremmer mindre kulstofkorrosion, udviser fremragende elektronbevægelse og har mere koboltmetaleksponering til reaktionsmediet, herunder dannelse af nanostørrelse morfologi uden partikelaggregation.

Den kombinerede virkning af kulstof og koboltmetal i elektroderne opnår mere effektiv elektrokatalytisk OER-aktivitet end ædelmetalelektroder til effektiv vandspaltning. Derfor er den ikke-ædle metalrige elektrode en alternativ, aktiv, stabil og billigere OER-anode til omkostningseffektiv H2-gasproduktion i vandelektrolyse i kommerciel skala.

“Vi forventer, at dette vil være en unik tilgang til udvikling af metalrige, reducerede kulstofkomposit-nanostrukturer, der har forbedrede metalaktive steder, som har tyndt kulstoflag beskyttelse og ultrahurtig elektronbevægelse i katalysatoroverfladen, der vil forbedre den elektrokemiske aktivitet og stabilitet af elektrokatalysatorer,” siger professor Shanmugam. “Vi vil gennemføre opfølgningsundersøgelser, der kan bruges til at forstå den reelle OER-mekanisme på de aktive arter i tilstedeværelsen af nanokulstofbelægning.”

Dette forskningsresultat blev offentliggjort i online-udgaven af Advanced Energy Materials den 11. januar 2018, et anerkendt internationalt tidsskrift inden for nye materialer.

Interview med professor Sangaraju Shanmugam (Department of Energy Science & Engineering):

Q. Hvad er forskellene i forhold til tidligere undersøgelser?

A. I de tidligere undersøgelser fremstillede forskerne de kulstofbelagte metaller fra forskellige prækursorer, herunder metal-organiske rammer (MOF’er). De opnåede katalysatorer udviser mere kulstof med reduceret grafitisk karakter, og kulstoffet dækkede de aktive metalpladser. Således udnyttes de fleste af de aktive metalpladser ikke korrekt af de elektrokemiske reaktioner. På grund af den betydelige kulstofkorrosion er disse katalysatorer heller ikke egnede nok til den langsommelige OER i vandspaltning ved højere positivt potentiale med manglende ustabilitet i barske elektrolytforhold. I dette arbejde fremstillede vi derfor en metalrig, tyndt nanokulstoflag (NC) indkapslet elektrokatalysator af Co@NC-nanostrukturer med kerne-skal fra en enkelt forløber, en analog af preussisk blå (PB). Co@NC viste forbedret iltudviklingsaktivitet og ultrastabilitet på nikkelskummet som strømaftager. Samlet set giver de tynde og ensartede kulstoflag hurtige elektronbevægelser, flere aktive metalpladser og en let elektrolytgennemtrængning. Vigtigst af alt kan det beskytte de aktive metalsteder mod korrosion med minimal eksponering, og den stærke interaktion mellem metal- og kulstoflagene udviser også en synergistisk effekt i retning af den fremragende aktivitet og ultrastabilitet (over 350 timer) af Co@NC-nanostrukturer med kerne-skal med mindre mulighed for kulstofoxidation.

Q. Hvordan kan det udnyttes?

A. Baseret på den bemærkelsesværdige OER-ydelse, kinetik og langtidsstabilitet for Co@NC-nanostrukturer med kerne-skal sammenlignet med de mest moderne ædelmetalbaserede elektrokatalysatorer, såsom IrO2 og RuO2, er det den mest egnede kandidat til at erstatte ædelmetal-OER-elektroder med henblik på at reducere de samlede omkostninger ved vandelektrolyser-systemet. Således er udviklingen af en effektiv og holdbar ikke-ædle metalelektrokatalysator i vandelektrolyser den største hindring for en vellykket kommercialisering af vandelektrolyserne.

Q. Hvor lang tid vil der være behov for til kommercialisering?

A. Processen er let tilgængelig til fremstilling af omkostningseffektive katalysatorer. Men vi skal stadig evaluere integrationen af dette katalytiske system i en polymerelektrolytmembranelektrolyser .Der er undersøgelser i gang for at forstå OER-mekanismen på denne elektrokatalysator. Så for kommercialisering kan det kræve et år med fuldstændig forståelse af aktivitet og stabilitet.

Q. Hvad er udfordringerne i forbindelse med kommercialisering?

A. Vi skal lave den ensartede belægning af denne katalysator på strømfangere af større størrelse uden afskalning. Så vi er nødt til at finde en mere egnet belægningsmetode. Som med værdifulde OER-elektrokatalysatorer er vi også nødt til at forstå den præcise OER-mekanisme på denne elektrokatalysator for at bevare/undgå aktivitetstab på grund af uønskede bivirkninger osv.

Q. Hvad er motivationen for din forskning?

A. Den primære motivation for dette arbejde er at erstatte den dyrebare anode i vandelektrolyseranlæg med høj aktivitet og stabilitet. Så for at forbedre aktiviteten og stabiliteten har vi forsøgt at indføre den meget tynde kulstofbelægning på de aktive metalpladser. Samlet set er udviklingen metalrige og kulstoffattige OER-elektrokatalysatorer med korrekt udnyttelse af metalaktive arter og metal-kulstof-synergisk effekt til at overvinde den trægke anodereaktion i vandelektrolyse.

Q. Hvad er det endelige mål, du gerne vil opnå gennem denne forskning?

A. På baggrund af denne forskning forstår vi, at de metalrige elektrokatalysatorer er blandt de mest egnede materialer til fremragende OER-aktivitet. Så vi ønsker at fremstille de billigste anodeelektrokatalysatorer ved hjælp af den samme metode og eliminere brugen af dyrebare elektroder i vandelektrolyser-systemet til produktion af grøn og bæredygtig brint i stor skala.