Catalizzatore ad alta efficienza e basso costo per l’elettrolisi dell’acqua

Un gruppo di ricerca guidato dal professor Sangaraju Shanmugam di Energy Science and Engineering al DGIST ha sviluppato un elettrocatalizzatore nanostrutturato core-shell altamente efficiente e ultra durevole e ha sostituito con successo il prezioso anodo nell’elettrolisi dell’acqua, grazie alla collaborazione con il gruppo di ricerca del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

La sostituzione dei combustibili convenzionali con risorse energetiche rinnovabili è un approccio adatto per raggiungere un ambiente ecologico e diminuire le future richieste di energia. Così, la generazione o la conversione elettrochimica di energia in dispositivi di energia rinnovabile, che dipende dalle reazioni anodiche e catodiche, ha ricevuto molta attenzione.

Nella scissione elettrocatalitica dell’acqua, il gas ossigeno si genera nell’anodo a causa della reazione di evoluzione dell’ossigeno (OER), una reazione elettrochimica lenta rispetto alla reazione di evoluzione dell’idrogeno (HER). Quindi, un elettrocatalizzatore adatto è necessario per la scissione elettrocatalitica stabile dell’acqua.

Lo sviluppo di elettrocatalizzatori OER efficienti, durevoli e a basso costo è importante per i dispositivi energetici dell’elettrolizzatore ad acqua. Fino ad ora, gli ossidi di rutenio e iridio erano considerati elettrocatalizzatori all’avanguardia nella OER, ma la mancanza di stabilità limita il loro uso nella scissione dell’acqua su larga scala, ostacolando la commercializzazione diffusa.

Il team del professor Shanmugam, insieme ai ricercatori del PNNL, si è concentrato sullo sviluppo di un elettrocatalizzatore alternativo a basso costo, in metallo non nobile, per sostituire l’elettrodo anodico in metallo nobile nella scissione efficiente dell’acqua. Il metallo supportato dal carbonio è considerato un materiale elettrocatalitico efficiente per migliorare l’OER nella scissione dell’acqua. Finora, la maggior parte degli elettrocatalizzatori sviluppati sono stati caratterizzati da un maggiore contenuto di carbonio e da un minore contenuto di metallo attivo. La maggiore quantità di carbonio ha impantanato i siti attivi metallici reali, e ha portato a condizioni di corrosione del carbonio più veloci. Questo ha portato ad una minore attività elettrocatalitica.

Nello studio, i ricercatori hanno scoperto che un gran numero di ioni metallici inorganici di cobalto legati da ligandi organici nel blu di Prussia sono un precursore adatto per lo sviluppo di elettrocatalizzatori ultra stabili, ricchi di metallo, drogati con azoto e incapsulati con core-shell grafitici per l’OER pigro (anodo) nella divisione dell’acqua.

Quando viene riscaldato (da 600 a 900 gradi C) in un’atmosfera inerte, gli ioni metallici di cobalto e i ligandi organici nel sale si trasformano in strati sottili di carbonio cobalto e grafite drogata con azoto, rispettivamente, che formano lo strato sottile di carbonio, incapsulato in metallo, nanostrutture core-shell di cobalto (Core-Shell Co@NC). Gli strati sottili di carbonio hanno una forte interazione con il cobalto metallico, che promuovono una minore corrosione del carbonio, mostrano un eccellente movimento di elettroni, e hanno più esposizione del cobalto metallico al mezzo di reazione, compresa la formazione di morfologia nanometrica senza aggregazione di particelle.

L’effetto combinato del carbonio e del cobalto metallico negli elettrodi raggiunge un’attività OER elettrocatalitica più efficiente rispetto agli elettrodi di metalli preziosi per un efficiente scissione dell’acqua. Pertanto, l’elettrodo ricco di metalli non nobili è un anodo OER alternativo, attivo, stabile e meno costoso per la produzione di gas H2 a costi contenuti nell’elettrolisi dell’acqua su scala commerciale.

“Prevediamo che questo sia un approccio unico per sviluppare nanostrutture composite ricche di metallo e carbonio ridotto che hanno siti attivi metallici migliorati, che presentano una protezione dello strato di carbonio sottile e un movimento ultra-veloce di elettroni nella superficie del catalizzatore, che migliorerà l’attività elettrochimica e la stabilità degli elettrocatalizzatori”, dice il professor Shanmugam. “Effettueremo gli studi di follow-up che possono essere utilizzati per comprendere il reale meccanismo OER sulle specie attive in presenza del rivestimento di nanocarbonio.”

Questo risultato della ricerca è stato pubblicato nell’edizione online di Advanced Energy Materials l’11 gennaio 2018, una rinomata rivista internazionale nel campo dei materiali emergenti.

Intervista al professor Sangaraju Shanmugam (Dipartimento di Scienze Energetiche & Ingegneria):

Q. Quali sono le differenze rispetto agli studi precedenti?

A. Negli studi precedenti, i ricercatori hanno preparato i metalli rivestiti di carbonio da vari precursori, compresi i quadri metallo-organici (MOF). I catalizzatori ottenuti mostrano più carbonio con una natura grafitica ridotta, e il carbonio ha coperto i siti metallici attivi. Così, la maggior parte dei siti metallici attivi non sono utilizzati correttamente dalle reazioni elettrochimiche. Inoltre, a causa della sostanziale corrosione del carbonio, quei catalizzatori non sono abbastanza adatti per l’OER pigro nella scissione dell’acqua al potenziale positivo più alto con mancanza di instabilità in condizioni elettrolitiche difficili. Di conseguenza, in questo lavoro, abbiamo preparato l’elettrocatalizzatore ricco di metallo, strati sottili di nanocarbonio (NC) incapsulati di nanostrutture Co@NC core-shell da un singolo precursore blu di Prussia (PB) analogo. Il Co@NC ha mostrato una maggiore attività di evoluzione dell’ossigeno e un’ultrastabilità sul collettore di corrente della schiuma di nichel. Nel complesso, gli strati di carbonio sottili e uniformi forniscono i movimenti veloci degli elettroni, l’utilizzo di più siti attivi metallici con una facile penetrazione dell’elettrolita. Soprattutto, può proteggere i siti attivi del metallo dalla corrosione con un’esposizione minima e anche la forte interazione tra metallo e strati di carbonio mostra l’effetto sinergico verso l’eccellente attività e l’ultra-stabilità (oltre 350 ore) delle nanostrutture Co@NC core-shell con meno possibilità di ossidazione del carbonio.

Q. Come può essere utilizzato?

A. Sulla base delle notevoli prestazioni OER, della cinetica e della stabilità a lungo termine delle nanostrutture Co@NC core-shell rispetto agli elettrocatalizzatori all’avanguardia basati su metalli nobili, come IrO2 e RuO2, è il candidato più adatto a sostituire gli elettrodi OER di metalli preziosi per ridurre il costo complessivo del sistema dell’elettrolizzatore ad acqua. Quindi, lo sviluppo di un elettrocatalizzatore efficiente e durevole in metallo non nobile nell’elettrolizzatore ad acqua è l’ostacolo principale per una commercializzazione di successo degli elettrolizzatori ad acqua.

Q. Quanto tempo sarà necessario per la commercializzazione?

A. Il processo è facilmente disponibile per la fabbricazione di catalizzatori economici. Ma dobbiamo ancora valutare l’integrazione di questo sistema catalitico in un elettrolizzatore a membrana polimerica. Sono in corso studi per capire il meccanismo OER su questo elettrocatalizzatore. Quindi, per la commercializzazione, potrebbe essere necessario un anno con la comprensione completa dell’attività e della stabilità.

Q. Quali sono le sfide per la commercializzazione?

A. Dobbiamo fare il rivestimento uniforme di questo catalizzatore sui collettori di corrente di grandi dimensioni senza alcun peeling. Quindi dobbiamo trovare una metodologia di rivestimento più adatta. Inoltre, come per i preziosi elettrocatalizzatori OER, dobbiamo capire il preciso meccanismo OER su questo elettrocatalizzatore per mantenere/evitare perdite di attività dovute a reazioni collaterali indesiderate, ecc.

Q. Qual è la motivazione della tua ricerca?

A. La motivazione principale di questo lavoro è quella di sostituire il prezioso anodo nei sistemi di elettrolizzatori ad acqua con alta attività e stabilità. Quindi, per migliorare l’attività e la stabilità, abbiamo cercato di introdurre il rivestimento di carbonio molto sottile sui siti attivi del metallo. Nel complesso, lo sviluppo di elettrocatalizzatori OER ricchi di metallo e con meno carbonio con un adeguato utilizzo di specie metallo-attive ed effetto sinergico metallo-carbonio per superare la reazione anodica pigra nell’elettrolisi dell’acqua.

Q. Qual è l’obiettivo finale che vorresti raggiungere attraverso questa ricerca?

A. Sulla base di questa ricerca, abbiamo capito che gli elettrocatalizzatori ricchi di metallo sono tra i materiali più adatti per un’eccellente attività OER. Quindi vogliamo preparare gli elettrocatalizzatori anodici più economici usando la stessa metodologia ed eliminare l’uso di elettrodi preziosi nel sistema dell’elettrolizzatore ad acqua per la produzione di idrogeno verde e sostenibile in larga scala.