Nagy hatékonyságú, olcsó katalizátor vízelektrolízishez

A DGIST Energiatudomány és Mérnöki Intézet Sangaraju Shanmugam professzora által vezetett kutatócsoport a Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) kutatócsoportjával együttműködve nagy hatékonyságú, rendkívül tartós maghéj nanoszerkezetű elektrokatalizátort fejlesztett ki, és sikeresen helyettesítette az értékes anódot a vízelektrolízisben.

A hagyományos üzemanyagok megújuló energiaforrásokkal való helyettesítése megfelelő megközelítés a környezetbarát környezet eléréséhez és a jövőbeli energiaigények csökkentéséhez. Ezért nagy figyelmet kapott az elektrokémiai energiatermelés vagy -átalakítás a megújuló energiát hasznosító eszközökben, amely az anód- és katódreakcióktól függ.

Az elektrokatalitikus vízbontás során az anódon oxigéngáz keletkezik az oxigénfejlődési reakció (OER) következtében, amely a hidrogénfejlődési reakcióhoz (HER) képest lassú elektrokémiai reakció. Ezért a stabil elektrokatalitikus vízbontáshoz megfelelő elektrokatalizátorra van szükség.

A hatékony, tartós és olcsó OER elektrokatalizátorok kifejlesztése fontos a vízelektrolizáló energetikai eszközök számára. Eddig a ruténium- és irídium-oxidokat tekintették a legkorszerűbb elektrokatalizátoroknak az OER-ben, de a stabilitás hiánya korlátozza alkalmazásukat a nagyüzemi vízbontásban, ami akadályozza a széles körű kereskedelmi forgalomba hozatalukat.

Shanmugam professzor csoportja a PNNL kutatóival együtt egy alternatív, alacsony költségű, nem nemesfém elektrokatalizátor kifejlesztésére összpontosított, amely a hatékony vízbontásban a nemesfém anódelektród helyettesítheti. A szénnel támogatott fémet hatékony elektrokatalitikus anyagnak tekintik a vízhasadásban a fokozott OER-hez. Eddig a legtöbb kifejlesztett elektrokatalizátor magasabb széntartalommal és kevesebb aktív fémtartalommal rendelkezett. A nagyobb szénmennyiség elkoszolta a valódi fém aktív helyeket, és gyorsabb szénkorróziós körülményeket eredményezett. Ez alacsonyabb elektrokatalitikus aktivitáshoz vezetett.

A tanulmányban a kutatók megállapították, hogy a poroszkékben szerves ligandumok által áthidalt nagyszámú szervetlen kobalt fémionok alkalmas prekurzorok ultra-stabil, fémben gazdag, nitrogénnel dúsított grafitos nanoszénnel kapszulázott maghéj elektrokatalizátorok kifejlesztésére a vízbontás lomha OER (anód) számára.

A sóban lévő kobaltfémionok és szerves ligandumok inert atmoszférában történő melegítéskor (600-900 °C) kobaltfémmé, illetve nitrogénnel adalékolt grafitos vékony szénréteggé alakulnak át, amelyek a vékony szénrétegű, kapszulázott fém, kobalt mag-héj nanoszerkezeteket (Core-Shell Co@NC) alkotnak. A vékony szénrétegek erős kölcsönhatásban vannak a kobaltfémmel, amelyek elősegítik a kevesebb szénkorróziót, kiváló elektronmozgást mutatnak, és több kobaltfém expozíciója van a reakcióközegben, beleértve a nano-méretű morfológia kialakulását részecskeaggregáció nélkül.

A szén és a kobaltfém együttes hatása az elektródákban hatékonyabb elektrokatalitikus OER-aktivitást ér el, mint a nemesfém elektródák a hatékony vízbontáshoz. Ezért a nemesfémekben nem gazdag elektród egy alternatív, aktív, stabil és olcsóbb OER-anód a költséghatékony H2-gáztermeléshez a kereskedelmi méretű vízelektrolízisben.

“Arra számítunk, hogy ez egy egyedülálló megközelítés lesz a fémekben gazdag, redukált szénnel redukált kompozit nanoszerkezetek kifejlesztéséhez, amelyek fokozott fém aktív helyekkel rendelkeznek, amelyek vékony szénréteg-védelemmel és ultragyors elektronmozgással rendelkeznek a katalizátor felületén, ami növeli az elektrokatalizátorok elektrokémiai aktivitását és stabilitását” – mondja Shanmugam professzor. “El fogjuk végezni az utóvizsgálatokat, amelyek segítségével megérthetjük az aktív fajokon a nanoszénbevonat jelenlétében fellépő valódi OER-mechanizmust.”

Ez a kutatási eredmény 2018. január 11-én jelent meg az Advanced Energy Materials online kiadásában, amely egy neves nemzetközi folyóirat a feltörekvő anyagok területén.

Interjú Sangaraju Shanmugam professzorral (Energiatudományi & Mérnöki Tanszék):

Q. Milyen különbségek vannak a korábbi tanulmányokhoz képest?

A. A korábbi tanulmányokban a kutatók a szénnel bevont fémeket különböző prekurzorokból, többek között fém-szerves vázakból (MOF) állították elő. A kapott katalizátorok több szenet mutattak redukált grafitos jelleggel, és a szén beborította az aktív fémhelyeket. Így az aktív fémhelyek nagy része nem hasznosul megfelelően az elektrokémiai reakciókban. Továbbá a jelentős szénkorrózió miatt ezek a katalizátorok nem eléggé alkalmasak a lassú OER vízhasításhoz a magasabb pozitív potenciálon, a kemény elektrolitkörülmények között instabilitás hiányában. Ennek megfelelően ebben a munkában egyetlen prekurzor poroszkék (PB) analógból készítettük el a maghéj Co@NC nanoszerkezetek fémdús, vékony nanoszén (NC) rétegekkel kapszulázott elektrokatalizátorát. A Co@NC fokozott oxigénfejlődési aktivitást és ultrahangállóságot mutatott a nikkelhab áramszedőjén. Összességében a vékony és egyenletes szénrétegek biztosítják a gyors elektronmozgásokat, több fém aktív hely kihasználását könnyű elektrolit behatolással. A legfontosabb, hogy minimális expozícióval védi az aktív fémhelyeket a korróziótól, valamint a fém és a szénrétegek közötti erős kölcsönhatás szinergikus hatást mutat a maghéj Co@NC nanoszerkezetek kiváló aktivitása és ultra-stabilitása (több mint 350 óra) felé, a szén oxidációjának kisebb lehetőségével.

Q. Hogyan hasznosítható?

A. A maghéj Co@NC nanoszerkezetek figyelemre méltó OER teljesítménye, kinetikája és hosszú távú stabilitása alapján, összehasonlítva a legkorszerűbb nemesfém alapú elektrokatalizátorokkal, mint például az IrO2 és a RuO2, ez a legmegfelelőbb jelölt a nemesfém OER-elektródák helyettesítésére a vízelektrolízis rendszer teljes költségének csökkentése érdekében. Így a hatékony és tartós nem nemesfém elektrokatalizátor kifejlesztése a vizes elektrolízisben a fő akadálya a vizes elektrolízisek sikeres kereskedelmi forgalomba hozatalának.

Q. Mennyi időre lesz szükség a kereskedelmi forgalomba hozatalhoz?

A. Az eljárás könnyen elérhető a költséghatékony katalizátorok előállításához. De még ki kell értékelnünk ennek a katalitikus rendszernek a polimer elektrolitmembrános elektrolízisbe történő integrálását .tanulmányok folynak az OER mechanizmusának megértésére ezen az elektrokatalizátoron. Tehát a kereskedelmi forgalomba hozatalhoz egy évre lehet szükség az aktivitás és a stabilitás teljes megértésével.

Q. Mik a kereskedelmi forgalomba hozatal kihívásai?

A. El kell érnünk, hogy ez a katalizátor egyenletes bevonatot kapjon a nagyobb méretű áramszedőkön, hámlás nélkül. Tehát megfelelőbb bevonási módszert kell találnunk. Továbbá, mint az értékes OER-elektrokatalizátorok esetében, ezen az elektrokatalizátoron is meg kell értenünk a pontos OER-mechanizmust, hogy fenntartsuk/elkerüljük a nem kívánt mellékreakciók stb. miatti aktivitásveszteséget.

Q. Mi motiválja a kutatását?

A. A munka elsődleges motivációja az értékes anód kiváltása a vízelektrolízis rendszerekben magas aktivitással és stabilitással. Tehát az aktivitás és a stabilitás javítása érdekében megpróbáltuk bevezetni a nagyon vékony szénbevonatot a fém aktív helyekre. Összességében a fémben gazdag és szénmentes OER elektrokatalizátorok fejlesztése a fém-aktív fajok és a fém-szén szinergikus hatás megfelelő kihasználásával a vízelektrolízis lassú anódreakciójának leküzdésére.

Q. Mi a végső cél, amit ezzel a kutatással szeretne elérni?

A. A kutatás alapján megértettük, hogy a fémekben gazdag elektrokatalizátorok a kiváló OER-aktivitásra leginkább alkalmas anyagok közé tartoznak. Ezért szeretnénk a legolcsóbb anódos elektrokatalizátorokat ugyanezzel a módszerrel előállítani, és kiküszöbölni az értékes elektródák használatát a vízelektrolízis rendszerben a zöld és fenntartható hidrogén nagyüzemi előállítása érdekében.

által biztosított.