Wysokowydajny, tani katalizator do elektrolizy wody

Zespół badawczy kierowany przez profesora Sangaraju Shanmugam z Energy Science and Engineering w DGIST opracował wysoce wydajny, ultrawytrzymały nanostrukturalny elektrokatalizator core-shell i z powodzeniem zastąpił cenną anodę w elektrolizie wody, dzięki współpracy z grupą badawczą z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Zastąpienie konwencjonalnych paliw odnawialnymi źródłami energii jest odpowiednim podejściem do osiągnięcia ekologicznego środowiska i zmniejszenia przyszłego zapotrzebowania na energię. Dlatego też, elektrochemiczne wytwarzanie energii lub konwersja w urządzeniach energii odnawialnej, która zależy od reakcji anodowych i katodowych, otrzymała wiele uwagi.

W elektrokatalitycznym rozszczepianiu wody, gaz tlenowy generuje się w anodzie z powodu reakcji ewolucji tlenu (OER), powolnej reakcji elektrochemicznej w porównaniu z reakcją ewolucji wodoru (HER). Tak więc, odpowiedni elektrokatalizator jest potrzebny do stabilnego elektrokatalitycznego rozszczepiania wody.

Rozwój wydajnych, trwałych, tanich elektrokatalizatorów OER jest ważny dla urządzeń energetycznych z elektrolizerem wody. Do tej pory tlenki rutenu i irydu były uważane za najnowocześniejsze elektrokatalizatory w OER, ale brak stabilności ogranicza ich zastosowanie w rozszczepianiu wody na dużą skalę, utrudniając szeroką komercjalizację.

Zespół profesora Shanmugama, wraz z badaczami z PNNL, skupił się na opracowaniu alternatywnego taniego elektrokatalizatora z metalu nieszlachetnego, który mógłby zastąpić elektrodę anodową z metalu szlachetnego w wydajnym rozszczepianiu wody. Metal wspomagany węglem jest uważany za wydajny materiał elektrokatalityczny dla zwiększenia OER w rozszczepianiu wody. Do tej pory, większość z opracowanych elektrokatalizatorów cechowała się wyższą zawartością węgla i mniejszą zawartością aktywnego metalu. Wyższa ilość węgla spowodowała zasypanie miejsc aktywnych metali i szybsze warunki korozji węgla. Doprowadziło to do obniżenia aktywności elektrokatalitycznej.

W badaniu naukowcy stwierdzili, że duża liczba nieorganicznych jonów metalu kobaltu mostkowanych przez ligandy organiczne w błękicie pruskim jest odpowiednim prekursorem do opracowania ultrastabilnych, bogatych w metal, domieszkowanych azotem grafitycznych nanopowłokowych elektrokatalizatorów typu core-shell dla ospałych OER (anoda) w procesie rozszczepiania wody.

Po podgrzaniu (600 do 900 stopni C) w atmosferze obojętnej, jony metalu kobaltu i ligandy organiczne w soli przekształcają się odpowiednio w metal kobaltowy i domieszkowane azotem grafityczne cienkie warstwy węglowe, które tworzą cienką warstwę węglową, enkapsulowaną metaliczną, kobaltową nanostrukturę rdzeń-powłoka (Core-Shell Co@NC). Cienkie warstwy węglowe mają silną interakcję z metalem kobaltu, które promują mniej korozji węgla, wykazują doskonały ruch elektronów i mają więcej ekspozycji metalu kobaltu do medium reakcyjnego, w tym tworzenie morfologii nanosized bez agregacji cząstek.

Połączony efekt węgla i metalu kobaltu w elektrodach osiąga bardziej efektywną aktywność elektrokatalityczną OER niż elektrody metali szlachetnych dla efektywnego rozszczepiania wody. Dlatego elektroda bogata w metale nieszlachetne jest alternatywną, aktywną, stabilną i tańszą anodą OER dla efektywnej kosztowo produkcji gazu H2 w komercyjnej skali elektrolizy wody.

„Przewidujemy, że będzie to unikalne podejście do rozwoju bogatych w metale, zredukowanych nanostruktur kompozytowych węglowych, które mają ulepszone miejsca aktywne metali, które charakteryzują się cienką ochroną warstwy węglowej i ultraszybkim ruchem elektronów na powierzchni katalizatora, co zwiększy aktywność elektrochemiczną i stabilność elektrokatalizatorów”, mówi profesor Shanmugam. „Przeprowadzimy badania uzupełniające, które mogą być wykorzystane do zrozumienia rzeczywistego mechanizmu OER na gatunkach aktywnych w obecności powłoki nanowęglowej.”

Ten wynik badań został opublikowany w wydaniu online Advanced Energy Materials w dniu 11 stycznia 2018 r., renomowanym międzynarodowym czasopiśmie w dziedzinie pojawiających się materiałów.

Wywiad z profesorem Sangaraju Shanmugam (Wydział Energetyki & Inżynierii):

Q. Jakie są różnice w porównaniu z poprzednimi badaniami?

A. W poprzednich badaniach naukowcy przygotowywali metale pokryte węglem z różnych prekursorów, w tym z szkieletów metaloorganicznych (MOFs). Otrzymane katalizatory wykazują więcej węgla o zredukowanej grafitowej naturze, a węgiel pokrywał miejsca aktywne metalu. W związku z tym, większość miejsc aktywnych metalu nie jest właściwie wykorzystywana w reakcjach elektrochemicznych. Ponadto, ze względu na znaczną korozję węgla, katalizatory te nie są odpowiednie do powolnego OER w rozszczepianiu wody przy wyższym potencjale dodatnim z brakiem stabilności w trudnych warunkach elektrolitowych. W związku z tym, w niniejszej pracy, przygotowaliśmy bogaty w metale, cienkie warstwy nanowęglowe (NC) zamknięte elektrokatalizator core-shell nanostruktur Co@NC z jednego prekursora błękitu pruskiego (PB) analogu. Co@NC wykazały zwiększoną aktywność wydzielania tlenu i ultrastabilność na kolektorze prądu pianki niklowej. Ogólnie rzecz biorąc, cienkie i jednolite warstwy węgla zapewniają szybki przepływ elektronów, więcej metalowych miejsc aktywnych wykorzystanie z łatwą penetracją elektrolitu. Co najważniejsze, może chronić aktywne miejsca metalu przed korozją przy minimalnym narażeniu, a także silna interakcja między metalem a warstwami węglowymi wykazuje efekt synergiczny w kierunku doskonałej aktywności i ultrastabilności (ponad 350 h) nanostruktur core-shell Co@NC z mniejszą możliwością utleniania węgla.

Q. Jak to może być wykorzystane?

A. W oparciu o niezwykłą wydajność OER, kinetykę i długoterminową stabilność nanostruktur core-shell Co@NC w porównaniu do najnowocześniejszych elektrokatalizatorów opartych na metalach szlachetnych, takich jak IrO2 i RuO2, jest to najbardziej odpowiedni kandydat do zastąpienia elektrod OER z metali szlachetnych w celu zmniejszenia ogólnych kosztów systemu elektrolizera wody. Tak więc, rozwój wydajnych i trwałych elektrokatalizatorów z metali nieszlachetnych w elektrolizerze wodnym jest główną przeszkodą dla udanej komercjalizacji elektrolizerów wodnych.

Q. Jak długo trzeba będzie czekać na komercjalizację?

A. Proces jest łatwo dostępny do produkcji opłacalnych katalizatorów. Ale nadal musimy ocenić integrację tego systemu katalitycznego w elektrolizerze membranowym z elektrolitem polimerowym. Trwają badania mające na celu zrozumienie mechanizmu OER na tym elektrokatalizatorze. Tak więc do komercjalizacji, może to wymagać roku z pełnego zrozumienia aktywności i stabilności.

Q. Jakie są wyzwania dla komercjalizacji?

A. Musimy wykonać jednolitą powłokę tego katalizatora na kolektorach prądowych o większych rozmiarach bez złuszczania. Musimy więc znaleźć bardziej odpowiednią metodologię powlekania. Ponadto, podobnie jak w przypadku cennych elektrokatalizatorów OER, musimy zrozumieć dokładny mechanizm OER na tych elektrokatalizatorach, aby utrzymać/uniknąć strat aktywności spowodowanych niepożądanymi reakcjami ubocznymi, itp.

Q. Jaka jest motywacja Twoich badań?

A. Podstawową motywacją tej pracy jest zastąpienie cennej anody w systemach elektrolizerów wodnych o wysokiej aktywności i stabilności. Tak więc, aby poprawić aktywność i stabilność, próbowaliśmy wprowadzić bardzo cienką powłokę węglową na metalowych miejscach aktywnych. Ogólnie rzecz biorąc, rozwój bogatych w metal i węgiel mniej OER elektrokatalizatory z właściwego wykorzystania metalu-aktywnych gatunków i metalu-węgla efekt synergiczny do pokonania ospały reakcji anodowej w elektrolizie wody.

Q. Jaki jest ostateczny cel, który chcielibyście osiągnąć poprzez te badania?

A. Na podstawie tych badań rozumiemy, że elektrokatalizatory bogate w metale są jednymi z najbardziej odpowiednich materiałów dla doskonałej aktywności OER. Chcemy więc przygotować najtańsze elektrokatalizatory anodowe przy użyciu tej samej metodologii i wyeliminować użycie cennych elektrod w systemie elektrolizera wodnego do produkcji ekologicznego i zrównoważonego wodoru na dużą skalę.

.