Een onderzoeksteam onder leiding van professor Sangaraju Shanmugam van Energy Science and Engineering bij DGIST heeft zeer efficiënte, ultra-duurzame core-shell nanogestructureerde elektrokatalysator en met succes de kostbare anode vervangen in waterelektrolyse, door de samenwerking met de onderzoeksgroep van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

De vervanging van conventionele brandstoffen door hernieuwbare energiebronnen is een geschikte aanpak om een ​​milieuvriendelijk milieu te bereiken en de toekomstige energiebehoefte te verminderen. Dus, elektrochemische energieopwekking of conversie in apparaten voor hernieuwbare energie, die afhangt van anode- en kathodereacties, veel aandacht heeft gekregen.

Bij elektrokatalytische watersplitsing, zuurstofgas wordt gegenereerd in de anode als gevolg van de zuurstofontwikkelingsreactie (OER), een langzame elektrochemische reactie in vergelijking met de waterstofevolutiereactie (HER). Dus, een geschikte elektrokatalysator is nodig voor een stabiele elektrokatalytische watersplitsing.

Ontwikkeling van efficiënte, duurzaam, goedkope OER-elektrokatalysatoren zijn belangrijk voor energie-apparaten voor waterelektrolyse. Tot nu, de ruthenium- en iridiumoxiden werden beschouwd als ultramoderne elektrokatalysatoren in OER, maar het gebrek aan stabiliteit beperkt het gebruik ervan bij grootschalige watersplitsing, wijdverbreide commercialisering in de weg staan.

Het team van professor Shanmugam, samen met onderzoekers van PNNL, hebben zich gericht op het ontwikkelen van een alternatief tegen lage kosten, niet-edelmetaalelektrokatalysator ter vervanging van de edelmetaalanode-elektrode bij efficiënte watersplitsing. Door koolstof ondersteund metaal wordt beschouwd als een efficiënt elektrokatalytisch materiaal voor verbeterde OER bij het splitsen van water. Tot dusver, de meeste van de ontwikkelde elektrokatalysatoren hebben een hoger koolstofgehalte en een minder metaalactief, misleidend gehalte. De hogere hoeveelheid koolstof vertroebelde de echte metaalactieve plaatsen, en resulteerde in een snellere koolstofcorrosie. Dit leidde tot een lagere elektrokatalytische activiteit.

In de studie, de onderzoekers ontdekten dat een groot aantal anorganische kobaltmetaalionen overbrugd door organische liganden in het Pruisische blauw een geschikte voorloper zijn voor het ontwikkelen van ultrastabiele, metaalrijk, met stikstof gedoteerde grafiet-nanokoolstof-ingekapselde kern-schil elektrokatalysatoren voor de trage OER (anode) bij het splitsen van water.

Bij verhitting (600 tot 900 graden C) in een inerte atmosfeer, de kobaltmetaalionen en organische liganden in het zout worden omgezet in kobaltmetaal en stikstof-gedoteerde grafietachtige dunne koolstoflagen, respectievelijk, die de dunne koolstoflaag vormen, ingekapseld metaal, kobalt kern-schil nanostructuren (Core-Shell Co@NC). De dunne koolstoflagen hebben een sterke interactie met kobaltmetaal, die minder koolstofcorrosie bevorderen, vertonen uitstekende elektronenbeweging, en hebben meer blootstelling aan kobaltmetaal aan het reactiemedium, inclusief de vorming van morfologie op nanoschaal zonder deeltjesaggregatie.

Het gecombineerde effect van koolstof en kobaltmetaal in de elektroden zorgt voor een efficiëntere elektrokatalytische OER-activiteit dan edelmetaalelektroden voor een efficiënte watersplitsing. Daarom, de niet-edelmetaalrijke elektrode is een alternatief, actief, stal, en goedkopere OER-anode voor kosteneffectieve H2-gasproductie bij waterelektrolyse op commerciële schaal.

"We verwachten dat dit een unieke benadering is voor het ontwikkelen van metaalrijke, koolstofarme composiet nanostructuren met verbeterde metaalactieve plaatsen, met dunne koolstoflaagbescherming en ultrasnelle elektronenbeweging in het katalysatoroppervlak, dat 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 Geavanceerde energiematerialen op 11 januari 2018, een gerenommeerd internationaal tijdschrift op het gebied van opkomende materialen.

Interview met professor Sangaraju Shanmugam (Departement Energiewetenschappen &Engineering):

V. Wat zijn de verschillen in vergelijking met eerdere onderzoeken?

A. In de vorige studies, de onderzoekers bereidden de met koolstof beklede metalen uit verschillende voorlopers, inclusief metaal-organische raamwerken (MOF's). De verkregen katalysatoren vertonen meer koolstof met een verminderde grafietachtige aard, en de koolstof bedekte de actieve metaalplaatsen. Dus, de meeste actieve metaalplaatsen worden niet goed gebruikt door de elektrochemische reacties. Ook, vanwege de aanzienlijke koolstofcorrosie, die katalysatoren zijn niet geschikt genoeg voor de trage OER in watersplitsing bij de hogere positieve potentiaal met gebrek aan instabiliteit in ruwe elektrolytomstandigheden. Overeenkomstig, in dit werk, we hebben de metaalrijke, dunne nanokoolstof (NC) lagen ingekapselde elektrokatalysator van core-shell Co@NC nanostructuren van een enkele precursor Pruisisch blauw (PB) analoog. De Co@NC vertoonde een verbeterde zuurstofontwikkelingsactiviteit en ultrastabiliteit op de stroomcollector van nikkelschuim. Algemeen, de dunne en uniforme koolstoflagen zorgen voor de snelle elektronenbewegingen, meer gebruik van metaalactieve sites met gemakkelijke penetratie van elektrolyten. Het belangrijkste is, het kan de actieve metaalplaatsen beschermen tegen corrosie met minimale blootstelling en ook de sterke interactie tussen metaal- en koolstoflagen vertoont het synergetische effect op de uitstekende activiteit en ultrastabiliteit (meer dan 350 uur) van core-shell Co@NC-nanostructuren met minder kans op koolstofoxidatie.

V. 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 state-of-the-art op edelmetaal gebaseerde elektrokatalysatoren, zoals IrO2 en RuO2, het is de meest geschikte kandidaat om OER-elektroden van edelmetaal te vervangen om de totale kosten van het waterelektrolysesysteem te verlagen. Dus, the development of efficient and durable non-noble metal electrocatalyst in water electrolyzer is the main obstacle for successful commercialization of water electrolyzers.

Q. How long will it be required for commercialization?

A. The process is readily available for the fabrication of cost-effective catalysts. But we still have to evaluate the integration of this catalytic system in a polymer electrolyte membrane electrolyzer .Studies are underway to understand the OER mechanism on this electrocatalyst. So for commercialization, it may require a year with complete understanding of activity and stability.

Q. What are the challenges for commercialization?

A. We have to make the uniform coating of this catalyst on the larger size current collectors without any peeling. So we need to find a more suitable coating methodology. Ook, as with precious OER electrocatalysts, we have to understand the precise OER mechanism on this electrocatalysts to maintain/avoid activity losses due to the unwanted side reactions, enzovoort.

Q. What is the motivation for your research?

A. The primary motivation of this work is to replace the precious anode in water electrolyzer systems with high activity and stability. So to improve the activity and stability, we tried to introduce the very thin carbon coating on the metal active sites. Algemeen, the development metal-rich and carbon less OER electrocatalysts with proper utilization of metal-active species and metal-carbon synergistic effect to overcome the sluggish anode reaction in water electrolysis.

Q. What is the final goal you would like to achieve through this research?

A. Based on this research, we understand that the metal-rich electrocatalysts are among the most suitable materials for excellent OER activity. So we want to prepare the cheapest anode electrocatalysts by using the same methodology and eliminate the use of precious electrodes in the water electrolyzer system for the production of green and sustainable hydrogen in large scale.