Catalizator de înaltă eficiență și cu costuri reduse pentru electroliza apei

O echipă de cercetare condusă de profesorul Sangaraju Shanmugam de la Departamentul de Știință și Inginerie Energetică din cadrul DGIST a dezvoltat un electrocatalizator nanostructurat core-shell foarte eficient și ultra-durabil și a înlocuit cu succes anodul prețios în electroliza apei, prin colaborarea cu grupul de cercetare al Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Înlocuirea combustibililor convenționali cu resurse de energie regenerabilă este o abordare adecvată pentru realizarea unui mediu ecologic și pentru diminuarea cererii viitoare de energie. Astfel, generarea sau conversia electrochimică a energiei în dispozitive de energie regenerabilă, care depinde de reacțiile anodice și catodice, a primit multă atenție.

În descompunerea electrocatalitică a apei, oxigenul gazos se generează în anod datorită reacției de evoluție a oxigenului (OER), o reacție electrochimică lentă în comparație cu reacția de evoluție a hidrogenului (HER). Astfel, este necesar un electrocatalizator adecvat pentru o descompunere electrocatalitică stabilă a apei.

Dezvoltarea unor electrocatalizatori OER eficienți, durabili și cu costuri reduse este importantă pentru dispozitivele energetice cu electrolizator de apă. Până în prezent, oxizii de ruteniu și iridiu au fost considerați electrocatalizatori de ultimă generație în OER, dar lipsa de stabilitate limitează utilizarea lor în scindarea apei la scară largă, împiedicând comercializarea pe scară largă.

Echipa profesorului Shanmugam, împreună cu cercetători de la PNNL, s-au concentrat pe dezvoltarea unui electrocatalizator alternativ, cu costuri reduse și fără metale nobile, pentru a înlocui electrodul anodic din metale nobile în scindarea eficientă a apei. Metalul cu suport de carbon este considerat un material electrocatalitic eficient pentru un OER îmbunătățit în descompunerea apei. Până în prezent, majoritatea electrocatalizatorilor dezvoltați au avut un conținut mai mare de carbon și un conținut mai mic de specii active metalice. Cantitatea mai mare de carbon a blocat situsurile active metalice reale și a dus la condiții mai rapide de coroziune a carbonului. Acest lucru a dus la o activitate electrocatalitică mai scăzută.

În studiu, cercetătorii au descoperit că un număr mare de ioni metalici anorganici de cobalt, legați prin punți de liganzi organici în albastrul de Prusia, reprezintă un precursor adecvat pentru dezvoltarea de electrocatalizatori nucleu-cochilie grafitici nanocarbonici ultra-stabili, bogați în metale și dopați cu azot, încapsulați cu nucleu-cochilie, pentru OER (anodul) leneș în descompunerea apei.

Când sunt încălzite (600 până la 900 grade C) într-o atmosferă inertă, ionii metalici de cobalt și liganzii organici din sare se transformă în straturi subțiri de cobalt metalic și, respectiv, de carbon grafitic dopat cu azot, care formează stratul subțire de carbon, încapsulat metalic, nanostructuri core-shell de cobalt (Core-Shell Co@NC). Straturile subțiri de carbon au o interacțiune puternică cu cobaltul metalic, care promovează mai puțină coroziune a carbonului, prezintă o mișcare excelentă a electronilor și au mai multă expunere a cobaltului metalic la mediul de reacție, inclusiv formarea unei morfologii nanometrice fără agregare de particule.

Efectul combinat al carbonului și al cobaltului metalic în electrozi realizează o activitate electrocatalitică OER mai eficientă decât electrozii din metale prețioase pentru o descompunere eficientă a apei. Prin urmare, electrodul bogat în metale non-nobile este un anod OER alternativ, activ, stabil și mai puțin costisitor pentru producția rentabilă de gaz H2 în electroliza apei la scară comercială.

„Anticipăm că aceasta va fi o abordare unică pentru dezvoltarea de nanostructuri compozite bogate în metale, cu carbon redus, care au situsuri active metalice îmbunătățite, care prezintă o protecție subțire a stratului de carbon și o mișcare ultra-rapidă a electronilor în suprafața catalizatorului, care va spori activitatea electrochimică și stabilitatea electrocatalizatorilor”, spune profesorul Shanmugam. „Vom efectua studii de urmărire care pot fi utilizate pentru a înțelege mecanismul real al OER asupra speciilor active în prezența stratului de nanocarbon.”

Acest rezultat al cercetării a fost publicat în ediția online a Advanced Energy Materials din 11 ianuarie 2018, o reputată revistă internațională în domeniul materialelor emergente.

Interviu cu profesorul Sangaraju Shanmugam (Departamentul de Știința Energiei & Inginerie):

Q. Care sunt diferențele față de studiile anterioare?

A. În studiile anterioare, cercetătorii au preparat metalele acoperite cu carbon din diverși precursori, inclusiv cadre metal-organice (MOF). Catalizatorii obținuți prezintă mai mult carbon cu o natură grafitică redusă, iar carbonul a acoperit situsurile metalice active. Astfel, majoritatea situsurilor metalice active nu sunt utilizate în mod corespunzător de reacțiile electrochimice. De asemenea, din cauza coroziunii substanțiale a carbonului, acești catalizatori nu sunt suficient de adecvați pentru OER leneș în descompunerea apei la potențial pozitiv mai ridicat, cu lipsă de instabilitate în condiții de electrolit dur. În consecință, în această lucrare, am pregătit electrocatalizatorul electrocatalizator încapsulat în straturi subțiri de nanocarbon (NC), bogat în metale, de nanostructuri Co@NC cu coajă centrală, dintr-un singur precursor analog de albastru de Prusia (PB). Co@NC a prezentat o activitate sporită de evoluție a oxigenului și ultrastabilitate pe colectorul de curent din spumă de nichel. În general, straturile subțiri și uniforme de carbon asigură deplasarea rapidă a electronilor, utilizarea mai multor situsuri active metalice cu o penetrare ușoară a electrolitului. Cel mai important, poate proteja situsurile metalice active de coroziune cu o expunere minimă și, de asemenea, interacțiunea puternică dintre metal și straturile de carbon prezintă un efect sinergic în ceea ce privește activitatea excelentă și ultra-stabilitatea (peste 350 de ore) a nanostructurilor Co@NC cu miez de coajă, cu o posibilitate mai mică de oxidare a carbonului.

Q. Cum poate fi utilizat?

A. Pe baza performanței remarcabile a OER, a cineticii și a stabilității pe termen lung a nanostructurilor Co@NC cu coajă centrală în comparație cu electrocatalizatorii de ultimă generație pe bază de metale nobile, cum ar fi IrO2 și RuO2, acesta este candidatul cel mai potrivit pentru a înlocui electrozii OER din metale prețioase pentru reducerea costului total al sistemului de electrolizator de apă. Astfel, dezvoltarea unui electrocatalizator eficient și durabil din metale non-nobile în electrolizorul de apă este principalul obstacol pentru comercializarea cu succes a electrolizoarelor de apă.

Q. Cât timp va fi necesar pentru comercializare?

A. Procesul este ușor disponibil pentru fabricarea de catalizatori rentabile. Dar încă mai trebuie să evaluăm integrarea acestui sistem catalitic într-un electrolizator cu membrană cu electrolit polimeric .sunt în curs de desfășurare studii pentru a înțelege mecanismul OER pe acest electrocatalizator. Deci, pentru comercializare, ar putea fi nevoie de un an cu o înțelegere completă a activității și stabilității.

Q. Care sunt provocările pentru comercializare?

A. Trebuie să realizăm acoperirea uniformă a acestui catalizator pe colectorii de curent de dimensiuni mai mari, fără să se desprindă. Așadar, trebuie să găsim o metodologie de acoperire mai potrivită. De asemenea, ca și în cazul electrocatalizatorilor OER prețioși, trebuie să înțelegem mecanismul OER precis pe acest electrocatalizator pentru a menține/evita pierderile de activitate datorate reacțiilor secundare nedorite etc.

Q. Care este motivația cercetării dumneavoastră?

A. Motivația principală a acestei lucrări este de a înlocui anodul prețios în sistemele de electrolizatori de apă cu activitate și stabilitate ridicată. Astfel, pentru a îmbunătăți activitatea și stabilitatea, am încercat să introducem stratul foarte subțire de carbon pe situsurile active metalice. În general, dezvoltarea de electrocatalizatori OER bogați în metale și mai puțin carbon, cu utilizarea adecvată a speciilor active metalice și a efectului sinergic metal-carbon pentru a depăși reacția anodică lentă în electroliza apei.

Q. Care este obiectivul final pe care ați dori să îl atingeți prin această cercetare?

A. Pe baza acestei cercetări, înțelegem că electrocatalizatorii bogați în metale sunt printre cele mai potrivite materiale pentru o activitate excelentă a OER. Așadar, dorim să preparăm cei mai ieftini electrocatalizatori anodici utilizând aceeași metodologie și să eliminăm utilizarea de electrozi prețioși în sistemul de electrolizator de apă pentru producerea de hidrogen verde și durabil la scară largă.