Een poreuze coating op ceriumbasis verhoogt de duurzaamheid van zuurstofvormende katalysatoren terwijl ze hun inherente watersplitsende activiteit behouden.

De efficiëntie van het scheiden van waterstof en zuurstof uit water kan worden verhoogd met behulp van kosteneffectieve elektrokatalysatoren die hoge prestaties en robuustheid combineren. Onderzoekers van KAUST hebben een coating ontwikkeld die watersplitsende katalysatoren beschermt voor de zogenaamde zuurstofontwikkeling zonder hun elektrochemische activiteit te verminderen.

Waterstof bevat veel energie. Uitgebreide inspanningen om deze veelbelovende bron van schone brandstof uit water te isoleren, hebben geleid tot elektrochemische benaderingen, zoals waterelektrolyse en door licht aangedreven watersplitsing. Deze werkwijzen berusten typisch op waterstofvorming aan de kathode en zuurstofontwikkeling aan de anode. Echter, in tegenstelling tot zijn waterstoftegenhanger, zuurstofontwikkeling is meestal traag en vereist aanzienlijke overpotentiaal, wat betekent dat de anode meer energie verbruikt dan thermodynamisch geschat. Dit belemmert de totale waterstofproductie.

Nikkel-ijzeroxide katalysatoren, zoals NiFeOx, hebben bewezen zeer actief te zijn voor de anodische reactie, maar zijn onstabiel onder zware oxidatieve omstandigheden. Blootstelling aan overmatige spanning of alkalische oplossingen zorgt ervoor dat deze katalysatoren ijzerhoudende soorten verliezen, die oplossen van de actieve plaatsen en geleidelijk worden gedeactiveerd.

Om dit probleem aan te pakken, doctoraat student Keisuke Obata en hoogleraar Chemische Wetenschappen Kazuhiro Takanabe hebben een beschermende coating ontwikkeld voor een NiFeOx-anode. De dunne laag ceriumoxide (CeOx) bestond uit kleine deeltjes die waren geaggregeerd tot een poreuze structuur waardoor alleen gegenereerde zuurstofmoleculen konden ontsnappen.

Volgens Takanabe, zijn onderzoeksgroep introduceert in het algemeen functionele kenmerken op nanoschaal op de oppervlakken van watersplitsende elektroden om de prestaties te verbeteren. "Onze groep heeft veel nanogestructureerde coatings gevonden voor de waterstofevolutiekathode, maar geen enkele die het oppervlak van de zuurstofontwikkelingsanode stabiel zou kunnen bedekken, " hij zegt.

Voortbouwend op hun ervaring met de kathodische coatings, de onderzoekers kwamen met een nieuwe coating voor de zuurstofevolutiekatalysator:anodeafzetting van Ce3+-ionen, die werden geoxideerd en geprecipiteerd als een CeOx-laag onder aangelegde spanning. "Aan het begin van het project hadden we niet verwacht dat de ceriumsoort de stabiliteit van de nikkel-ijzeroxide-katalysatoren zou verbeteren, " zegt Obata, opmerkend dat, hoewel stabiliteit een belangrijke factor is voor katalyse, reactiviteit van cruciaal belang is.

De CeOx-laag handhaafde de intrinsieke reactiviteit van de elektrokatalysator eronder en, bijgevolg, alleen selectieve permeabiliteit en duurzaamheid toegevoegd aan de elektrode. Een soortgelijk fenomeen deed zich voor bij een CeOx-gecoate anode kobalt elektrokatalysator, wat betekent dat deze afzetting zal werken over verschillende katalysatoren voor zuurstofontwikkeling.

Het team van Takanabe onderzoekt momenteel verschillende materialen om de eigenschappen van hun coating te perfectioneren. "We testen onze materialen onder industrierelevante omstandigheden, " hij voegt toe.