Zeer efficiënte, goedkope katalysator voor waterelektrolyse
On januari 22, 2022 by admindoor DGIST
Een onderzoeksteam onder leiding van professor Sangaraju Shanmugam van Energy Science and Engineering van DGIST heeft een zeer efficiënte, ultra-duurzame core-shell nanogestructureerde elektrokatalysator ontwikkeld en met succes de kostbare anode in waterelektrolyse vervangen, door de samenwerking met de onderzoeksgroep van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).
De vervanging van conventionele brandstoffen door hernieuwbare energiebronnen is een geschikte benadering voor het bereiken van een milieuvriendelijk milieu en het verminderen van de toekomstige vraag naar energie. Elektrochemische energieopwekking of -omzetting in apparaten voor hernieuwbare energie, die afhankelijk is van anode- en kathode-reacties, heeft dus veel aandacht gekregen.
In de elektrokatalytische watersplitsing ontstaat zuurstofgas in de anode als gevolg van de zuurstofevolutiereactie (OER), een langzame elektrochemische reactie in vergelijking met de waterstofevolutiereactie (HER). Er is dus een geschikte elektrokatalysator nodig voor een stabiele elektrokatalytische watersplitsing.
De ontwikkeling van efficiënte, duurzame, goedkope OER-elektrokatalysatoren is belangrijk voor energie-apparaten met waterelektrolyse. Tot nu toe werden de ruthenium- en iridiumoxiden beschouwd als state-of-the-art elektrokatalysatoren in OER, maar het gebrek aan stabiliteit beperkt hun gebruik in grootschalige watersplitsing, wat een wijdverspreide commercialisering belemmert.
Professor Shanmugam’s team, samen met onderzoekers van PNNL, hebben zich gericht op het ontwikkelen van een alternatieve goedkope, niet edelmetalen elektrokatalysator om de edelmetalen anode-elektrode te vervangen in efficiënte watersplitsing. Met koolstof ondersteund metaal wordt beschouwd als een efficiënt elektrokatalytisch materiaal voor verbeterde OER bij watersplitsing. Tot nu toe hebben de meeste van de ontwikkelde elektrokatalysatoren een hoger koolstofgehalte en een lager gehalte aan metaalactieve specie. Het hogere koolstofgehalte vertroebelde de echte metaal actieve sites, en resulteerde in een snellere koolstofcorrosie. Dit leidde tot lagere elektrokatalytische activiteit.
In de studie ontdekten de onderzoekers dat een groot aantal anorganische kobaltmetaalionen overbrugd door organische liganden in het Pruisisch blauw een geschikte precursor zijn voor het ontwikkelen van ultrastabiele, metaalrijke, stikstof-gedoteerde grafiet nanokool ingekapselde core-shell elektrokatalysatoren voor de trage OER (anode) in watersplitsing.
Bij verhitting (600 tot 900 graden C) in een inerte atmosfeer worden de kobaltmetaalionen en organische liganden in het zout omgezet in respectievelijk kobaltmetaal en stikstof-gedoteerde grafiet dunne koolstoflagen, die de dunne koolstoflaag vormen, ingekapselde metalen, kobalt core-shell nanostructuren (Core-Shell Co@NC). De dunne koolstoflagen hebben een sterke interactie met kobaltmetaal, die minder koolstofcorrosie bevorderen, een uitstekende elektronenbeweging vertonen en meer blootstelling van kobaltmetaal aan het reactiemedium hebben, inclusief de vorming van nanoformaat morfologie zonder deeltjesaggregatie.
Het gecombineerde effect van koolstof en kobaltmetaal in de elektroden bereikt een efficiëntere elektrokatalytische OER-activiteit dan edelmetaalelektroden voor efficiënte watersplitsing. Daarom is de niet edelmetaalrijke elektrode een alternatieve, actieve, stabiele en minder dure OER-anode voor kosteneffectieve H2-gasproductie in waterelektrolyse op commerciële schaal.
“We verwachten dat dit een unieke benadering is voor het ontwikkelen van metaalrijke, gereduceerde-koolstofcomposiet nanostructuren die verbeterde metaalactieve sites hebben, die voorzien zijn van dunne koolstoflaagbescherming en ultrasnelle elektronenbeweging in het katalysatoroppervlak, die de elektrochemische activiteit en stabiliteit van elektrokatalysatoren zal verbeteren,” zegt professor Shanmugam. “We zullen de vervolgstudies uitvoeren die kunnen worden gebruikt om het echte OER-mechanisme op de actieve soorten in de aanwezigheid van nanokoolstofcoating te begrijpen.”
Dit onderzoeksresultaat is gepubliceerd in de online editie van Advanced Energy Materials op 11 januari 2018, een gerenommeerd internationaal tijdschrift op het gebied van opkomende materialen.
Interview met professor Sangaraju Shanmugam (Department of Energy Science & Engineering):
Q. Wat zijn de verschillen met vorige studies?
A. In de vorige studies bereidden de onderzoekers de met koolstof gecoate metalen uit verschillende precursors, waaronder metaal-organische raamwerken (MOF’s). De verkregen katalysatoren vertonen meer koolstof met een verminderd grafietkarakter, en de koolstof bedekte de actieve metaalsites. De meeste van de actieve metaalsites worden dus niet goed benut door de elektrochemische reacties. Door de aanzienlijke koolstofcorrosie zijn deze katalysatoren ook niet geschikt voor de trage OER bij watersplitsing bij hogere positieve potentiaal met gebrek aan instabiliteit in ruwe elektrolytomstandigheden. Daarom hebben we in dit werk de metaalrijke, dunne nanokoolstof (NC) lagen ingekapselde elektrokatalysator van core-shell Co@NC nanostructuren bereid uit een enkele precursor Pruisisch blauw (PB) analoog. De Co@NC toonden een verhoogde zuurstof-evolutie activiteit en ultrastabiliteit op de stroom collector van nikkelschuim. Over het algemeen zorgen de dunne en uniforme koolstoflagen voor snelle elektronenbewegingen, meer metaalactieve plaatsen en gemakkelijke penetratie van elektrolyt. Het belangrijkste is dat het de actieve metaalsites kan beschermen tegen corrosie met minimale blootstelling en ook de sterke interactie tussen metaal en koolstoflagen vertoont het synergetische effect naar de uitstekende activiteit en ultrastabiliteit (meer dan 350 uur) van core-shell Co@NC nanostructuren met minder mogelijkheid van koolstofoxidatie.
Q. Hoe kan het worden gebruikt?
A. Op basis van de opmerkelijke OER-prestaties, kinetiek en stabiliteit op lange termijn van core-shell Co@NC-nanostructuren in vergelijking met de ultramoderne op edelmetalen gebaseerde elektrokatalysatoren, zoals IrO2 en RuO2, is het de meest geschikte kandidaat om edelmetalen OER-elektroden te vervangen voor het verlagen van de totale kosten van het waterelektrolyzersysteem. De ontwikkeling van een efficiënte en duurzame niet edelmetaal elektrokatalysator in water elektrolyzer is dus de belangrijkste hindernis voor een succesvolle commercialisering van water electrolyzers.
Q. Hoe lang zal het duren voordat het product op de markt komt?
A. Het proces is gemakkelijk beschikbaar voor de fabricage van kosteneffectieve katalysatoren. Maar wij moeten nog de integratie van dit katalytisch systeem in een polymeer elektrolyt membraanelektrolyse evalueren. Studies zijn aan de gang om het OER-mechanisme op deze elektrokatalysator te begrijpen. Dus voor de commercialisering kan een jaar nodig zijn met een volledig begrip van de activiteit en stabiliteit.
Q. Wat zijn de uitdagingen voor de commercialisering?
A. Wij moeten de uniforme deklaag van deze katalysator op de grotere grootte huidige collectoren zonder enige schil maken. Wij moeten dus een meer geschikte coatingmethodologie vinden. Ook moeten we, net als bij kostbare OER-elektrokatalysatoren, het precieze OER-mechanisme op deze elektrokatalysatoren begrijpen om activiteitsverliezen door ongewenste nevenreacties te handhaven/vermijden, enz.
Q. Wat is de motivatie voor uw onderzoek?
A. De primaire motivatie van dit werk is het vervangen van de kostbare anode in waterelektrolyzersystemen met een hoge activiteit en stabiliteit. Dus om de activiteit en stabiliteit te verbeteren, hebben we geprobeerd om de zeer dunne koolstof coating op de metalen actieve sites te introduceren. De ontwikkeling van metaalrijke en koolstofarme OER-elektrokatalysatoren met het juiste gebruik van metaalactieve stoffen en metaal-koolstof synergetisch effect om de trage anode reactie in waterelektrolyse te overwinnen.
Q. Wat is het einddoel dat u met dit onderzoek zou willen bereiken?
A. Op basis van dit onderzoek begrijpen we dat de metaalrijke elektrokatalysatoren tot de meest geschikte materialen behoren voor een uitstekende OER-activiteit. Dus willen we de goedkoopste anode-elektrokatalysatoren bereiden door dezelfde methodologie te gebruiken en het gebruik van kostbare elektroden in het waterelektrolyzersysteem te elimineren voor de productie van groene en duurzame waterstof op grote schaal.
Meer informatie: Arumugam Sivanantham et al, A Stable Graphitic, Nanocarbon-Encapsulated, Cobalt-Rich Core-Shell Electrocatalyst as an Oxygen Electrode in a Water Electrolyzer, Advanced Energy Materials (2018). DOI: 10.1002/aenm.201702838
Tijdschriftinformatie: Advanced Energy Materials
Provided by DGIST
Geef een antwoord