Een recente studie, verbonden aan het Zuid-Koreaanse Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) heeft een op fosfaat gebaseerde elektrokatalysator van Fe ₃ Co(PO) ₄ ) ₄ /gereduceerd grafeenoxide (rGO) (1) voor OER, waarvan wordt voorspeld dat het zeer actief is door de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

Er is veel belangstelling geweest voor 'waterstof die watermoleculen afbreekt om elektriciteit op te wekken' als milieuvriendelijke energie ter vervanging van fossiele brandstoffen. Tegelijkertijd, het is belangrijk om de efficiëntie van de waterontledingsreactie te verhogen om minder elektriciteit te gebruiken, en goedkope krachtige katalysatoren zijn ontwikkeld om de belangrijke zuurstofgenererende reacties te helpen.

Een onderzoeksteam, onder leiding van Distinguished Professor Kwang S. Kim in de School of Natural Sciences van UNIST heeft melding gemaakt van een op fosfaat gebaseerde elektrokatalysator van Fe ₃ Co(PO) ₄ ) ₄ /gereduceerd grafeenoxide (rGO) (1) voor OER, waarvan wordt voorspeld dat het zeer actief is door de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). De nieuwe katalysator is opvallend, met een prestatieverbetering van 25% ten opzichte van in de handel verkrijgbare dure katalysatoren.

In de waterontledingsreactie, waterstof- en zuurstofproducerende reacties vinden gelijktijdig plaats. Echter, de zuurstofopwekkingsreactie van de twee is relatief langzaam om de efficiëntie van de algehele waterontledingsreactie te verlagen. Om dit probleem op te lossen, iridiumoxide (IrO₂) en rutheniumoxide (RuO₂) worden gebruikt als katalysatoren voor zuurstofgeneratiereacties om de reactiesnelheid te verhogen, maar ze zijn minder stabiel dan uitstekende prestaties. In aanvulling, dure edele metalen zoals iridium en ruthenium hebben de beperking dat de hoofdbestanddelen.

Het team ontwikkelde een nieuwe zuurstofgenererende katalysator die gebruikmaakt van goedkope materialen en die zeer efficiënt en stabiel is. Sultan is een materiaal waarin ijzer (Fe), kobalt (Co) en fosforzuur (P) worden op een grafeenoxide-drager geplaatst die is ontworpen door een chemieonderzoeker van UNIST. Volgens de onderzoeksrichting Hamilaan, een UNIST scheikundig onderzoeker, gebruikte een supercomputer om materialen van verschillende samenstellingen te berekenen die ijzer en kobalt konden combineren met fosforzuur.

In het geval van een op fosfaat gebaseerde elektrokatalysator, de zuurstofontwikkelingsreactie vindt plaats op ijzer- en kobaltatomen. De verdeling van elektronen en chemische bindingen rond deze atomen bepalen de efficiëntie van de zuurstofontwikkelingsreactie. Voor de nieuw ontwikkelde katalysatoren het toegevoegde fosforzuur werd berekend om deze fractie te optimaliseren. Het team synthetiseerde deze theoretisch voorspelde materialen en demonstreerde ze experimenteel.

De nieuwe katalysator is meer dan 25% efficiënter dan commerciële iridiumoxidekatalysatoren. Katalytische efficiëntie wordt beoordeeld als "overspanning, " de hoeveelheid extra elektrische energie die in de reactie gaat. Iridiumoxide vereiste 303 millivolt (mV) bij het verkrijgen van een stroomdichtheid van 100 milliampère (mA) per 1 cm2 katalysator, maar slechts 237 mV voor de nieuwe katalysator. Deze waarde ligt dicht bij de theoretisch voorspelde waarde.

Het nieuw gesynthetiseerde materiaal heeft een uitstekende stabiliteit en prestatie. Nadat meer dan 5000 reacties structureel niet significant veranderden, en zelfs na de reactie gedurende 70 uur verminderde de reactiviteit niet. In aanvulling, de grafeenoxidedrager die de katalysator vormt, compenseerde de lage elektrische geleidbaarheid van ijzer / kobalt en fosforzuur, die een betere reactiviteit vertoonden.

"Door deze studie we hebben een katalysator ontwikkeld die veel meer zuurstof produceert dan een dure commerciële katalysator en honderden keren goedkoper is, ", zegt Distinguished Professor Kim. "Het zal nuttig zijn voor het ontwikkelen van katalysatoren voor verschillende milieuvriendelijke energiematerialen zoals brandstofcellen."

De bevindingen van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het novembernummer van 2019 Natuurcommunicatie .