Waterstof benutten als schone energiebron voor de toekomst, wetenschappers hebben ernaar gestreefd nieuwe processen te ontwikkelen om waterstof efficiënt en kosteneffectief te produceren. Een team bestaande uit wetenschappers die gespecialiseerd zijn in structuurmaterialen aan de City University of Hong Kong (CityU) heeft een krachtige elektrokatalysator ontwikkeld op basis van een innovatief concept dat oorspronkelijk was bedoeld voor het ontwikkelen van legeringen. De nieuwe elektrokatalysator kan op grote schaal en tegen lage kosten worden geproduceerd, het verstrekken van een nieuw paradigma in de brede toepassing van waterstofproductie door elektrochemische reactie in de toekomst.

Het onderzoek werd mede geleid door professor Lu Jian, CityU's vice-president (onderzoek en technologie) en voorzitter hoogleraar werktuigbouwkunde, en professor Liu Chain-tsuan, universiteit onderscheiden professor van het College of Engineering. De bevindingen zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen met de titel "A Novel Multinary Intermetallic as a Active Electrocatalyst for Hydrogen Evolution."

Wanneer verbruikt in een brandstofcel, waterstof produceert alleen water zonder enige vorming van kooldioxide. Daarom, het wordt algemeen beschouwd als een ideale schone bron om de problemen van broeikasgassen en energietekorten aan te pakken. In vergelijking met andere methoden voor waterstofproductie, elektrochemische watersplitsing is een relatief milieuvriendelijk proces met een groot potentieel voor industriële toepassingen. Echter, de meeste huidige elektrokatalysatoren zijn gebaseerd op edelmetalen, zoals platina en palladium. Hun hoge kosten en schaarste vormen een grote belemmering voor de ontwikkeling en toepassing van deze waterstofproductiemethode.

Eerder, Professor Liu ontwikkelde een innovatieve ontwerpstrategie voor legeringen voor de productie van intermetallische verbindingen met hoge entropie. Deze strategie overwint het afwegingsdilemma tussen sterkte en ductiliteit in traditionele metalen materialen door nanodeeltjes met een hoge dichtheid van intermetallische verbindingen met meerdere componenten op nanoschaal te introduceren. De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschap . Omdat de intermetallische verbindingen met hoge entropie goed geordende atomaire structuren en chemische synergetische functies bezitten dankzij de meerdere componenten, die beide de elektrokatalytische prestaties bevorderen, de nieuwe ontwerpstrategie voor legeringen biedt ook inzicht voor de ontwikkeling van nieuwe elektrokatalysatoren.

Het team van professor Liu werkte samen met de groep van experts van prof. Lu op het gebied van edelmetaalonderzoek en ontwikkelde een nieuwe hoge-entropie intermetallische (HEI) elektrokatalysator door de legeringsontwerpstrategie toe te passen. De nieuwe elektrokatalysator bestaat hoofdzakelijk uit vijf metalen elementen:ijzer, kobalt, nikkel, aluminium en titaan. Het heeft ook een goed geordende atomaire structuur. Door een eenvoudige, eenstaps chemische methode, het team produceerde een dendrietachtige poreuze structuur die het oppervlak voor elektrochemische activiteiten aanzienlijk vergroot en daarmee de elektrochemische prestaties aanzienlijk verbetert.

Hoge entropie legeringen (HEA's) zijn nieuwe legeringen gemaakt van vier of meer metalen elementen, met goede mechanische, fysiek, chemische en andere eigenschappen. Omdat het verschillende elementen bevat, de synergetische functies tussen de verschillende chemische elementen bieden vele wegen om de katalytische prestaties te optimaliseren. Echter, de conventionele HEA's hebben een ongeordende atomaire distributie in hun vaste oplossing, dus het is moeilijk om de elektronische structuur en actieve plaatsen effectief te veranderen om uiteindelijk de elektrochemische reactie te bevorderen.

Anderzijds, intermetallische verbindingen zijn een soort metaallegering gevormd door metalen elementen, of door metalen elementen met een of meer niet-metalen elementen waarvan de kristalstructuur verschilt van die van de andere bestanddelen. Omdat de multinaire metaalatomen uniform zijn verdeeld in de goed geordende intermetallische structuur, het maakt een specifiek locatie-isolerend effect mogelijk. En de elektronische structuur is zeer afstembaar. Het wordt dus beschouwd als een veelbelovende katalysator. Echter, het grootste deel van het huidige onderzoek naar intermetallische elektrokatalysatoren is gericht op binaire legeringen die niet de synergetische functies hebben tussen de meervoudige metaalelementen.

Daarom, dit onderzoeksresultaat is eigenlijk het resultaat van het combineren van de voordelen van legeringen met een hoge entropie (synergetische effecten tussen multinaire metaalelementen) en intermetallische verbindingen (intrinsiek structureel plaats-isolatie-effect en goed afgestemde elektronische structuur).

Door gebruik te maken van de atomaire-resolutie scanning transmissie-elektronenmicroscopie (Cs-gecorrigeerd) en 3-D-atomaire sondetomografie in experimenten, het team karakteriseerde de atomaire structuur van HEI-elektrokatalysator. Met verdere theoretische berekeningen, ze bewezen dat de synergetische effecten en de goed geordende atomaire structuur de elektronische structuur effectief optimaliseren, en daarmee het elektrochemische watersplitsingsproces te bevorderen.

Door zijn unieke bestanddelen en structuur, deze HEI-katalysator voert een uitstekende waterstofontwikkelingsreactie uit in een alkalische elektrolytoplossing.

"Onze unieke strategie om HEI te produceren, onthult een nieuw paradigma om een ​​nieuwe elektrokatalysator te ontwikkelen met superieure reactieactiviteiten voor het splitsen van water en het produceren van waterstof, " zei professor Liu.

"De methode die we gebruikten om de HEI te bereiden, wordt al veel gebruikt in de industriële productie. Omdat we de goedkopere metalen als grondstof gebruiken, wij geloven dat deze nieuwe elektrokatalysator een veelbelovend toepassingspotentieel zal hebben in de industriële productie van waterstof, ’ voegde professor Lu eraan toe.