Onderzoekers over de hele wereld werken actief aan het versnellen van de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren die de kosten van waterstofproductie aanzienlijk kunnen verlagen. Er zijn een aantal doorbraakkatalysatoren gerapporteerd, toch zijn hun verwachte prestaties vaak onbekend vóór implementatie, en dus is verder onderzoek nodig voor praktisch gebruik. Een recente studie, aangesloten UNIST, heeft een nieuwe zeer efficiënte katalysator voor waterstofproductie geïntroduceerd en de verwachte katalytische prestaties zijn ook aangetoond.

Professor Jong-Beom Baek en zijn onderzoeksteam aan de School of Energy and Chemical Engineering van UNIST hebben met succes een nieuwe watersplitsende waterstofkatalysator ontwikkeld, die bestaat uit ruthenium (Ru) nanodeeltjes die gelijkmatig zijn verdeeld en verankerd op het oppervlak van meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT's), of (Ru@MWCNT). Het onderzoeksteam evalueerde ook de katalytische prestaties van de Ru@MWCNT. De resultaten gaven aan dat de Ru@MWCNT-katalysator in veel opzichten superieur is aan de commerciële Pt/C-katalysatoren. De nieuwe katalysatoren zijn eenvoudig te synthetiseren en kunnen in massa worden geproduceerd, aldus het onderzoeksteam.

"Naast de introductie van zeer efficiënte en stabiele katalysatoren die de eigenschappen van bestaande materialen overtreffen, deze studie heeft tot doel de katalytische prestaties van katalysatorelektroden te evalueren, wat een essentieel onderdeel is van commercialisering, ’ zegt professor Baek.

Waterstof is het meest voorkomende element, die goed is voor 75% van het heelal, en wordt beschouwd als een efficiënte en milieuvriendelijke energiebron voor de toekomst. Momenteel, het grootste deel van waterstof wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen, zoals aardgas en hierbij komt vaak kooldioxide (CO ₂ ) emissies in het proces. Als een alternatief, het proces van het gebruik van elektriciteit om water te splitsen in waterstof en zuurstof is gesuggereerd, maar dit vereist het gebruik van dure katalysatoren, zoals platina.

Vandaar, Het team van professor Baek heeft gestaag katalysatoren ontwikkeld die niet alleen superieur zijn in prestaties aan traditionele platinakatalysatoren, maar hebben lagere productiekosten. De Ru@MWCNT-katalysator vertoont superieure elektrochemische eigenschappen ten opzichte van de eerder aangekondigde metaal-organische katalysatoren. De katalysator vertoont uitstekende HER-prestaties met lage overpotentialen (zie afbeelding 1), uitstekende duurzaamheid en hoge omzetfrequenties in zowel zure als alkalische omstandigheden.

De Ru@MWCNT-katalysatoren nemen de structuur, waarin ruthenium (Ru) nanodeeltjes uniform zijn verdeeld en verankerd op het oppervlak van meerwandige koolstofnanobuisjes (MWCNT's). Dankzij de kleinere deeltjesgrootteverdeling en deeltjesuniformiteit, het vertoont uitstekende HAAR-prestaties en hiervoor, er is ook een productieproces ontwikkeld.

"De bestaande methode om Ru en CNT's te combineren, er is een neiging dat Ru-deeltjes aan elkaar kleven en door de grootte van het agglomeraat tijdens de warmtebehandeling gestaag te vergroten, ", zegt Do Hyung Kweon (gecombineerde MS/Ph.D. of Energy and Chemical Engineering, EENHEID), de eerste auteur van de studie. "We onderdrukken deze deeltjesagglomeratie via de introductie van 'Ru-zout' en '-COOH' en dit maakte de uniforme verdeling van Ru-nanodeeltjes op het oppervlak van de MWCNT mogelijk."

Om de prestaties van de nieuwe katalysator nauwkeurig te bepalen, Professor Baek heeft de HER-prestatie-evaluatie uitgevoerd in de feitelijke constructie en analyse van watersplitsende systemen, naast de bestaande overpotentiaalmeting. Hun resultaten laten zien dat Ru@MWCNT 15,4% meer waterstof per stroomverbruik produceert dan commercieel Pt/C en dat de Faraday-efficiëntie (92,28%) hoger is dan Pt/C (85,97%).

"Eerdere studies over waterstofkatalysatoren richten zich op de evaluatie van de katalytische prestaties zelf, en ze waren ontoereikend om de feitelijke constructie en analyse van het watersplitsingssysteem aan te pakken, " zegt professor Baek. "Deze studie is belangrijk omdat het de werkelijke toepasbaarheid van HAAR kan voorspellen."

De bevindingen van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .