Högeffektiv och billig katalysator för vattenelektrolys

En forskargrupp under ledning av professor Sangaraju Shanmugam från Energy Science and Engineering vid DGIST har utvecklat en högeffektiv, ultrabeständig kärnskal-nanostrukturerad elektrokatalysator och framgångsrikt ersatt den dyrbara anoden i vattenelektrolys, genom ett samarbete med forskargruppen vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

Ersättning av konventionella bränslen med förnybara energikällor är ett lämpligt tillvägagångssätt för att uppnå en miljövänlig miljö och minska framtida energibehov. Därför har elektrokemisk energiproduktion eller omvandling i anordningar för förnybar energi, som beror på reaktioner i anod och katod, fått mycket uppmärksamhet.

I elektrokatalytisk vattenspjälkning genereras syrgas i anoden på grund av syreutvecklingsreaktionen (OER), en långsam elektrokemisk reaktion jämfört med väteutvecklingsreaktionen (HER). Därför behövs en lämplig elektrokatalysator för stabil elektrokatalytisk vattendelning.

Utvecklingen av effektiva, hållbara och billiga OER-elektrokatalysatorer är viktig för energianordningar med vattenelektrolyser. Hittills har ruthenium- och iridiumoxiderna betraktats som toppmoderna elektrokatalysatorer i OER, men bristen på stabilitet begränsar deras användning i storskalig vattendelning, vilket hindrar en omfattande kommersialisering.

Professor Shanmugams grupp har tillsammans med forskare från PNNL fokuserat på att utveckla en alternativ lågkostnadselektrokatalysator av icke-ädla metaller för att ersätta anodelektroden av ädelmetaller vid effektiv vattendelning. Kolstödd metall anses vara ett effektivt elektrokatalytiskt material för förbättrad OER vid vattendelning. Hittills har de flesta av de utvecklade elektrokatalysatorerna haft ett högre kolinnehåll och ett lägre innehåll av aktiva metaller. Den högre kolmängden har gjort att de verkliga aktiva metallplatserna har blivit nedsläckta och resulterat i en snabbare korrosion av kolet. Detta ledde till lägre elektrokatalytisk aktivitet.

I studien fann forskarna att ett stort antal oorganiska koboltmetalljoner som är överbryggade av organiska ligander i preussiskt blått är en lämplig prekursor för att utveckla ultrastabila, metallrika, kvävedopade grafitnanokarboninkapslade core-shell-elektrokatalysatorer med kväve som inkapsling för den tröga OER (anod) vid vattenspaltning.

Vid upphettning (600 till 900 grader C) i en inert atmosfär omvandlas koboltmetalljonerna och de organiska liganderna i saltet till koboltmetall respektive kvävedopade grafitiska tunna kolskikt som bildar de tunna kolskikten, inkapslade metalliska, koboltkärna-skål-nanostrukturer (Core-Shell Co@NC). De tunna kolskikten har en stark interaktion med koboltmetallen, vilket främjar mindre kolkorrosion, uppvisar utmärkt elektronrörelse och har mer koboltmetallexponering för reaktionsmediet, inklusive bildandet av nanoformad morfologi utan partikelaggregation.

Den kombinerade effekten av kol och koboltmetaller i elektroderna uppnår en effektivare elektrokatalytisk OER-aktivitet än ädelmetallelektroder för effektiv vattenspaltning. Därför är den icke ädelmetallrika elektroden en alternativ, aktiv, stabil och billigare OER-anod för kostnadseffektiv H2-gasproduktion vid vattenelektrolys i kommersiell skala.

”Vi räknar med att detta kommer att vara ett unikt tillvägagångssätt för att utveckla metallrika, reducerade kolkompositnanostrukturer som har förbättrade aktiva platser för metaller, som har ett tunt skydd av kolskiktet och ultrasnabb elektronrörelse i katalysatorytan, vilket kommer att öka den elektrokemiska aktiviteten och stabiliteten hos elektrokatalysatorer”, säger professor Shanmugam. ”Vi kommer att genomföra uppföljningsstudier som kan användas för att förstå den verkliga OER-mekanismen på de aktiva arterna i närvaro av nanokolbeläggning.”

Detta forskningsresultat publicerades i onlineutgåvan av Advanced Energy Materials den 11 januari 2018, en välrenommerad internationell tidskrift inom området framväxande material.

Intervju med professor Sangaraju Shanmugam (Institutionen för energivetenskap & Engineering):

Q. Vilka är skillnaderna jämfört med tidigare studier?

A. I de tidigare studierna framställde forskarna de kolbelagda metallerna från olika prekursorer, inklusive metallorganiska ramverk (MOF). De erhållna katalysatorerna uppvisar mer kol med reducerad grafitkaraktär, och kolet täckte de aktiva metallplatserna. De flesta av de aktiva metallplatserna utnyttjas därför inte ordentligt av de elektrokemiska reaktionerna. På grund av den betydande kolkorrosionen är dessa katalysatorer inte heller tillräckligt lämpliga för den tröga OER vid vattendelning vid högre positiv potential med bristande instabilitet i hårda elektrolytförhållanden. I det här arbetet har vi därför framställt den metallrika, tunna nanokarbonskikten (NC) som är inkapslade i elektrokatalysatorer av Co@NC-nanostrukturer med kärnskal från en enda prekursor av preussiskt blått (PB) analogt material. Co@NC visade ökad syreutvecklingsaktivitet och ultrastabilitet på nickelskummets strömsamlare. Sammantaget ger de tunna och enhetliga kolskikten snabba elektronrörelser, fler aktiva platser för metallanvändning med lätt elektrolytpenetration. Viktigast av allt är att det kan skydda de aktiva metallplatserna från korrosion med minimal exponering, och den starka interaktionen mellan metall- och kolskikten ger en synergistisk effekt mot den utmärkta aktiviteten och ultrastabiliteten (över 350 timmar) hos Co@NC-nanostrukturer med kärnskal, med mindre möjlighet till koloxidation.

Q. Hur kan den användas?

A. Baserat på den anmärkningsvärda OER-prestanda, kinetik och långtidsstabilitet hos Co@NC-nanostrukturer med kärnskal jämfört med de modernaste ädelmetallbaserade elektrokatalysatorerna, t.ex. IrO2 och RuO2, är det den lämpligaste kandidaten för att ersätta OER-elektroder av ädelmetaller för att minska den totala kostnaden för vattenelektrolysersystemet. Utvecklingen av effektiva och hållbara elektrokatalysatorer som inte är av ädelmetall i vattenelektrolyser är således det största hindret för en framgångsrik kommersialisering av vattenelektrolyser.

Q. Hur lång tid kommer det att krävas för kommersialisering?

A. Processen är lättillgänglig för tillverkning av kostnadseffektiva katalysatorer. Men vi måste fortfarande utvärdera integrationen av detta katalytiska system i en elektrolysator med polymerelektrolytmembran .Studier pågår för att förstå OER-mekanismen på denna elektrokatalysator. Så för kommersialisering kan det krävas ett år med fullständig förståelse av aktivitet och stabilitet.

Q. Vilka är utmaningarna för kommersialiseringen?

A. Vi måste göra en jämn beläggning av denna katalysator på de större strömfångarna utan någon skalning. Så vi måste hitta en mer lämplig beläggningsmetod. Liksom med värdefulla OER-elektrokatalysatorer måste vi också förstå den exakta OER-mekanismen på denna elektrokatalysator för att bibehålla/undvika aktivitetsförluster på grund av oönskade sidoreaktioner etc.

Q. Vad är motivet för din forskning?

A. Det primära motivet för detta arbete är att ersätta den dyrbara anoden i vattenelektrolysersystem med hög aktivitet och stabilitet. Så för att förbättra aktiviteten och stabiliteten försökte vi införa den mycket tunna kolbeläggningen på metallens aktiva platser. Sammantaget är utvecklingen metallrika och kolfria OER-elektrokatalysatorer med korrekt utnyttjande av metallaktiva arter och metall-kol-synergistisk effekt för att övervinna den tröga anodreaktionen i vattenelektrolys.

Q. Vad är det slutliga målet som du vill uppnå genom denna forskning?

A. Baserat på denna forskning förstår vi att metallrika elektrokatalysatorer är bland de mest lämpliga materialen för utmärkt OER-aktivitet. Så vi vill förbereda de billigaste anodelektrokatalysatorerna med hjälp av samma metodik och eliminera användningen av dyrbara elektroder i vattenelektrolysersystemet för produktion av grönt och hållbart vätgas i stor skala.