Tehokas ja edullinen katalyytti veden elektrolyysissä

DGIST:n energiatutkimuksen ja -tekniikan professori Sangaraju Shanmugamin johtama tutkijaryhmä on kehittänyt erittäin tehokkaan, erittäin kestävän core-shell-nanorakenteisen elektrokatalyytin ja korvannut menestyksekkäästi kallisarvoisen anodin vesielektrolyysissä yhteistyössä Tyynenmeren luoteisläntisen keskuslaboratorion (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) tutkimusryhmän kanssa.

Tavanomaisten polttoaineiden korvaaminen uusiutuvilla energialähteillä on sopiva lähestymistapa ympäristöystävällisen ympäristön saavuttamiseksi ja tulevaisuuden energiantarpeen vähentämiseksi. Niinpä sähkökemiallinen energiantuotanto tai -muuntaminen uusiutuvan energian laitteissa, joka riippuu anodin ja katodin reaktioista, on saanut paljon huomiota.

Elektrokatalyyttisessä veden halkaisussa anodissa syntyy happikaasua hapen evoluutioreaktion (OER) seurauksena, joka on hidas sähkökemiallinen reaktio verrattuna vedyn evoluutioreaktioon (HER). Näin ollen tarvitaan sopiva elektrokatalyytti vakaaseen sähkökatalyyttiseen veden halkaisuun.

Tehokkaiden, kestävien ja edullisten OER-elektrokatalyyttien kehittäminen on tärkeää vesielektrolyysin energialaitteita varten. Tähän asti rutenium- ja iridiumoksideja on pidetty OER:n uusimpina elektrokatalyytteinä, mutta stabiilisuuden puute rajoittaa niiden käyttöä laajamittaisessa veden halkaisussa, mikä estää niiden laajamittaisen kaupallistamisen.

Professori Shanmugamin työryhmä on yhdessä PNNL:n tutkijoiden kanssa keskittynyt kehittämään vaihtoehtoisen edullisen, ei-edelmämetallien elektrokatalyytin, jolla voitaisiin korvata jalometallien muodostama anodielektrodi tehokkaassa veden halkaisussa. Hiilellä tuettua metallia pidetään tehokkaana sähkökatalyyttisenä materiaalina, jolla voidaan parantaa OER:ää veden halkaisussa. Tähän mennessä useimmissa kehitetyissä elektrokatalysaattoreissa on ollut suurempi hiilipitoisuus ja pienempi aktiivisen metallin erityispitoisuus. Suurempi hiilimäärä sotkee todelliset metallien aktiiviset paikat ja johtaa nopeampiin hiilikorroosio-olosuhteisiin. Tämä johti alhaisempaan sähkökatalyyttiseen aktiivisuuteen.

Tutkimuksessa tutkijat havaitsivat, että suuri määrä preussinsinisen sinisen orgaanisten ligandien silloittamia epäorgaanisia koboltti-metalli-ioneja on sopiva esiaste erittäin stabiilien, metallirikkaiden, typellä seostettujen, typpidopatoitujen grafiittisten nanohiilellä kapseloitujen ydinkuori-elektrokatalysaattoreiden kehittämiseksi veden halkaisun hitaalle OER:lle (anodille).

Kuumennettaessa (600-900 astetta C) inertissä ilmakehässä suolan koboltti-metalli-ionit ja orgaaniset ligandit muuttuvat vastaavasti koboltti-metalli- ja typpidopatuksi grafiittiseksi ohueksi hiilikerrokseksi, jotka muodostavat ohuen hiilikerroksen, kapseloidun metallisen, koboltin ydin-kuori-nanorakenteen (Core-Shell Co@NC). Ohuilla hiilikerroksilla on vahva vuorovaikutus koboltti-metallin kanssa, jotka edistävät vähemmän hiilikorroosiota, osoittavat erinomaista elektronien liikettä ja joilla on enemmän koboltti-metallin altistumista reaktioväliaineelle, mukaan lukien nanokokoisen morfologian muodostuminen ilman hiukkasten aggregaatiota.

Hiilen ja koboltti-metallin yhteisvaikutus elektrodeissa saavuttaa tehokkaamman sähkökatalyyttisen OER-aktiivisuuden kuin jalometallielektrodit tehokkaan veden halkaisun kannalta. Siksi ei-jalometallirikas elektrodi on vaihtoehtoinen, aktiivinen, vakaa ja edullisempi OER-anodi kustannustehokkaaseen H2-kaasun tuotantoon kaupallisessa mittakaavassa tapahtuvassa vesielektrolyysissä.

”Odotamme, että tämä on ainutlaatuinen lähestymistapa kehitettäessä metallirikkaita, pelkistettyyn hiileen perustuvia komposiitti-nanorakenteita, joilla on tehostettuja metallien aktiivisia kohtia, joissa on ohut hiilikerroksen suojaus ja ultranopea elektronien liikkuminen katalyytin pinnalla, mikä parantaa sähkökemiallista aktiivisuutta ja sähkökatalyyttien vakautta”, professori Shanmugam sanoo. ”Teemme seurantatutkimuksia, joiden avulla voidaan ymmärtää aktiivisten lajien todellista OER-mekanismia nanohiilipinnoitteen läsnä ollessa.”

Tämä tutkimustulos julkaistiin Advanced Energy Materials -lehden verkkopainoksessa 11. tammikuuta 2018, joka on maineikas kansainvälinen lehti kehittyvien materiaalien alalla.

Haastattelu, jossa haastateltavana on professori Sangaraju Shanmugam (Energiatieteiden laitos & Insinööritieteiden tiedekunta & Engineering):

Q. Mitkä ovat erot verrattuna aiempiin tutkimuksiin?

A. Aiemmissa tutkimuksissa tutkijat valmistivat hiilipinnoitettuja metalleja erilaisista lähtöaineista, kuten metalli-orgaanisista kehyksistä (MOF). Saaduissa katalyytteissä on enemmän hiiltä, jolla on pelkistetty grafiittinen luonne, ja hiili peitti aktiiviset metallikohdat. Näin ollen suurin osa aktiivisista metallipaikoista ei ole kunnolla hyödynnetty sähkökemiallisissa reaktioissa. Huomattavan hiilikorroosion vuoksi nämä katalyytit eivät myöskään sovellu riittävän hyvin hitaaseen OER:ään veden halkaisussa korkeammalla positiivisella potentiaalilla, jossa ei ole epävakautta ankarissa elektrolyyttiolosuhteissa. Näin ollen tässä työssä valmistimme metallirikkaan, ohuen nanohiilikerroksen (NC) kapseloidun sähkökatalyytin ydinkuoren Co@NC-nanorakenteista yhdestä prekursorin preussinsinisen (PB) analogista. Co@NC osoitti tehostettua hapen evoluutioaktiivisuutta ja ultrakestävyyttä nikkelivaahdon virran kerääjällä. Kaiken kaikkiaan ohuet ja yhtenäiset hiilikerrokset tarjoavat nopeat elektroniliikkeet, enemmän metallien aktiivisten paikkojen hyödyntämistä, joilla on helppo elektrolyytin tunkeutuminen. Mikä tärkeintä, se voi suojata aktiivisia metallikohteita korroosiolta minimaalisella altistumisella, ja myös vahva vuorovaikutus metalli- ja hiilikerrosten välillä osoittaa synergistisen vaikutuksen kohti ydinkuoren Co@NC-nanorakenteiden erinomaista aktiivisuutta ja ultra-stabiilisuutta (yli 350 h), jossa hiilen hapettumisen mahdollisuus on vähäisempi.

Q. Miten sitä voidaan hyödyntää?

A. Perustuen ydinkuori-Co@NC-nanorakenteiden huomattavaan OER-suorituskykyyn, kinetiikkaan ja pitkäaikaisstabiliteettiin verrattuna uusimpiin jalometallipohjaisiin elektrokatalyytteihin, kuten IrO2 ja RuO2, se on sopivin ehdokas korvaamaan jalometallipohjaiset OER-elektrodit vesielektrolysaattorijärjestelmän kokonaiskustannusten vähentämiseksi. Näin ollen tehokkaan ja kestävän ei-jalometallien elektrokatalyytin kehittäminen vesielektrolysaattorissa on tärkein este vesielektrolysaattoreiden menestyksekkäälle kaupallistamiselle.

Q. Kuinka kauan kaupallistaminen kestää?

A. Prosessi on helposti saatavilla kustannustehokkaiden katalyyttien valmistamiseksi. Mutta meidän on vielä arvioitava tämän katalyyttisen järjestelmän integrointi polymeerielektrolyyttikalvoelektrolysaattoriin .Tutkimukset ovat käynnissä tämän sähkökatalyytin OER-mekanismin ymmärtämiseksi. Joten kaupallistaminen voi vaatia vuoden, kun aktiivisuus ja vakaus ymmärretään täysin.

Q. Mitkä ovat kaupallistamisen haasteet?

A. Meidän on saatava aikaan tämän katalyytin tasainen pinnoite suurempikokoisiin virrankerääjiin ilman, että se kuoriutuu. Meidän on siis löydettävä sopivampi pinnoitusmenetelmä. Kuten arvokkaiden OER-elektrokatalyyttien kohdalla, meidän on myös ymmärrettävä tämän elektrokatalyytin tarkka OER-mekanismi, jotta voimme ylläpitää/välttää ei-toivotuista sivureaktioista jne. johtuvat aktiivisuushäviöt.

Q. Mikä on tutkimuksenne motivaatio?

A. Tämän työn ensisijainen motivaatio on korvata arvokas anodi vesielektrolysaattorijärjestelmissä, joilla on korkea aktiivisuus ja vakaus. Aktiivisuuden ja vakauden parantamiseksi yritimme siis ottaa käyttöön hyvin ohuen hiilipinnoitteen metallien aktiivisten paikkojen päälle. Kaiken kaikkiaan metallirikkaiden ja hiilen vähemmän OER-elektrokatalyyttien kehittäminen metalliaktiivisten lajien ja metalli-hiili-synergistisen vaikutuksen asianmukaisella hyödyntämisellä hitaiden anodireaktioiden voittamiseksi vesielektrolyysissä.

Q. Mikä on lopullinen tavoite, jonka haluat saavuttaa tämän tutkimuksen avulla?

A. Tämän tutkimuksen perusteella ymmärrämme, että metallirikkaat elektrokatalyytit ovat yksi sopivimmista materiaaleista erinomaiseen OER-aktiivisuuteen. Haluamme siis valmistaa halvimmat anodielektrokatalyytit käyttämällä samaa menetelmää ja poistaa arvokkaiden elektrodien käytön vesielektrolysaattorijärjestelmässä vihreän ja kestävän vedyn tuottamiseksi suuressa mittakaavassa.

.