Een goedkoop en eenvoudig alternatief voor dure op platina gebaseerde katalysatoren die waterstof uit water genereren, zou binnenkort beschikbaar kunnen zijn, dankzij A*STAR-onderzoekers.

Een team van A*STAR's Institute of Materials Research and Engineering heeft een eenstapsbenadering ontwikkeld om kobaltfosfiden te synthetiseren die een goede elektrochemische activiteit vertonen in de waterstofevolutiereactie (HER). "In tegenstelling tot de dure en schaarse op platina gebaseerde katalysatoren, deze met fosfor gefunctionaliseerde kobaltkatalysatoren zijn bijzonder veelbelovend vanwege hun stabiliteit op lange termijn en hun geschiktheid voor grootschalige industriële implementatie, " legt Yun Zong uit, die het team leidde met Zhaolin Liu.

Waterstof is een energierijke, schone en hernieuwbare brandstofbron die een sleutelrol speelt in veel industriële processen, zoals de productie van ammoniak en de verwerking en raffinage van fossiele brandstoffen. Nog, het wordt voornamelijk geproduceerd door stoomreforming van aardgas, een extractie op hoge temperatuur uit koolwaterstoffen die in grote hoeveelheden kooldioxide uitstoten.

Waterelektrolyse en lichtgestuurde watersplitsing, die waterstof isoleren uit water, zijn naar voren gekomen als aantrekkelijke milieuvriendelijke alternatieven voor dit proces. Deze elektrochemische benaderingen hangen af ​​van de langzame vorming van zuurstof aan de anode samen met de waterstofontwikkelingsreactie aan de kathode. Echter, terwijl waterstofontwikkeling gemakkelijker is gebleken onder zure omstandigheden, elektrokatalysatoren die zijn ontwikkeld om de anodische reactie te versnellen, hebben een hogere activiteit getoond in alkalische media. In reactie hierop, het team heeft nanogestructureerde kobaltfosfiden bedacht die de waterstofontwikkelingsreactie kunnen vergemakkelijken, ongeacht de pH van de waterige media.

De onderzoekers hebben een gemakkelijke en schaalbare synthese bedacht die in één stap katalysatoren oplevert. In deze eenstapssynthese een fosforhoudende verbinding reageert direct met in de handel verkrijgbare kobaltzouten bij verhitting tot 330 graden Celsius. Deze ongebruikelijke gas-vaste 'fosfidatie' produceert een mengsel van kobalthoudende verbindingen, inclusief mono- en bimetaalfosfiden, oxiden, en sporenmetaal met een kleine hoeveelheid gasvormig fosfine.

"Van elk van deze kobalthoudende soorten wordt verwacht dat ze de algehele HER-activiteit ten goede komen, " zegt Zong, opmerkend dat de meeste gas-vaste fosfidatiereacties alleen het monometaalderivaat in lage opbrengsten opleveren. Hij voegt eraan toe dat conventionele syntheses meerdere stappen vereisen waarbij de productie van een kobaltvoorloper en de daaropvolgende fosfidevorming betrokken zijn.

Naast het integreren van hun katalysatoren op kobaltbasis in een watersplitsingssysteem, het team werkt momenteel aan het screenen van andere overgangsmetaalzouten en het optimaliseren van de synthetische procedures. "Deze protocollen kunnen worden uitgebreid tot eenstapsfosfidatie van andere overgangsmetaalzouten, " zegt Zong, daaraan toevoegend dat inzicht in de directe fosfidatie van kobaltzouten waardevolle input biedt voor de toekomstige grootschalige synthese van overgangsmetaalfosfiden.