Wanneer waterstof wordt verbruikt in een brandstofcel, die het watermolecuul H . neemt ₂ O en scheidt het in zuurstof en waterstof, een proces genaamd elektrolyse, het produceert alleen water, elektriciteit en warmte. Als een koolstofvrije energiebron, het bereik van het potentiële gebruik is onbeperkt in transport, reclame, industrieel, residentiële en draagbare toepassingen.

Terwijl traditionele waterstofproductieprocessen fossiele brandstoffen of CO . vereisten ₂ , elektrolyse produceert "groene waterstof" uit watermoleculen. Omdat water op zichzelf niet kan worden gesplitst in waterstof en zuurstof, de elektrochemische waterstof-wateromzetting vereist zeer actieve elektrokatalysatoren. De conventionele waterelektrolyse, echter, staat voor technologische uitdagingen om de efficiëntie van de watersplitsingsreactie voor de trage zuurstofontwikkelingsreactie te verbeteren. Op edelmetaal gebaseerd rutheniumoxide (RuO ₂ ) en iridiumoxide (IrO ₂ ) worden gebruikt om de zuurstofgeneratiesnelheid te verhogen. Echter, deze edelmetaalkatalysatoren zijn duur en vertonen een slechte stabiliteit bij langdurig bedrijf.

Onder leiding van Associate Director LEE Hyoyoung van het Center for Integrated Nanostructure Physics binnen het Institute for Basic Science (IBS) aan de Sungkyunkwan University, het IBS-onderzoeksteam ontwikkelde een zeer efficiënte en duurzame elektrokatalysator voor wateroxidatie met behulp van kobalt, ijzer en een minimale hoeveelheid ruthenium.

"We gebruikten amfifiele blokcopolymeren om de elektrostatische aantrekking in onze enkele ruthenium (Ru) atoom-bimetaallegering te regelen. De copolymeren vergemakkelijken de synthese van bolvormige clusters van koolwaterstofmoleculen waarvan de oplosbare en onoplosbare segmenten de kern en de schaal vormen. In deze studie, hun neiging tot een unieke chemische structuur maakt de synthese mogelijk van de hoogwaardige enkelvoudige atomaire Ru-legering die aanwezig is bovenop de stabiele metallische kobaltijzer (Co-Fe) composiet omgeven door poreuze, defecte en grafiet carbon schaal, " zegt LEE Jinsun en Kumar Ashwani, de co-eerste auteurs van de studie.

"We waren erg opgewonden om te ontdekken dat voorgeadsorbeerde oppervlaktezuurstof op het oppervlak van de Co-Fe-legering, geabsorbeerd tijdens het syntheseproces, stabiliseert een van de belangrijke tussenproducten (OOH) tijdens de zuurstofgeneratiereactie, het verhogen van de algehele efficiëntie van de katalytische reactie. De vooraf geabsorbeerde zuurstof aan het oppervlak was van weinig belang tot onze bevinding, " zegt adjunct-directeur Lee, de corresponderende auteur van de studie. De onderzoekers ontdekten dat vier uur gloeien bij 750 graden C in een argonatmosfeer de meest geschikte conditie is voor het zuurstofgenererende proces. Naast de reactievriendelijke omgeving op het metalen oppervlak van de gastheer, het enkele Ru-atoom, waar zuurstofproductie plaatsvindt, vervult ook zijn rol door de energiebarrière te verlagen, synergetisch verbeteren van de efficiëntie van zuurstof evolutie.

Het onderzoeksteam evalueerde de katalytische efficiëntie met de overspanningsstatistieken die nodig zijn voor de zuurstofontwikkelingsreactie. De geavanceerde edele elektrokatalysator had slechts 180 mV (millivolt) overspanning nodig om een ​​stroomdichtheid van 10 mA (milliampère) per cm te bereiken ² van katalysator, terwijl rutheniumoxide 298 mV nodig had. In aanvulling, de enkele Ru-atoom-bimetaallegering vertoonde stabiliteit op lange termijn gedurende 100 uur zonder enige verandering van structuur. Verder, de kobalt- en ijzerlegering met grafietkool compenseerde ook de elektrische geleidbaarheid en verhoogde de zuurstofontwikkelingssnelheid.

Associate Director Lee zegt, "Deze studie brengt ons een stap dichter bij een koolstofvrije, groene waterstofeconomie. Deze zeer efficiënte en goedkope elektrokatalysator voor het genereren van zuurstof zal ons helpen de langetermijnuitdagingen van het raffinageproces van fossiele brandstoffen te overwinnen:het produceren van zeer zuivere waterstof voor commerciële toepassingen tegen een lage prijs en op een milieuvriendelijke manier."

De studie werd op 4 november online gepubliceerd in het tijdschrift Energie en milieuwetenschappen .