Om de energiecrisis en milieuproblemen op te lossen, onderzoek om af te stappen van fossiele brandstoffen en over te stappen op milieuvriendelijke en duurzame waterstofenergie is overal ter wereld in volle gang. Onlangs, een team van onderzoekers van POSTECH heeft een manier voorgesteld om waterstofbrandstof efficiënt te produceren via waterelektrolyse met behulp van goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar nikkel als elektrokatalysator, groen licht geven aan het tijdperk van de waterstofeconomie.

Een POSTECH-onderzoeksteam onder leiding van professor Jong Kyu Kim en Ph.D. kandidaat Jaerim Kim van de afdeling Materials Science and Engineering en een team onder leiding van professor Jeong Woo Han en Ph.D. kandidaat Hyeonjung Jung van het Department of Chemical Engineering hebben samen een zeer efficiënt op nikkel gebaseerd katalysatorsysteem ontwikkeld dat is gedoteerd met oxofiele overgangsmetaalatomen en hebben de correlatie geïdentificeerd tussen katalytische adsorptie-eigenschappen en waterstofevolutiereactie (HER) kinetiek in een alkalisch medium. Erkend voor hun betekenis, deze onderzoeksresultaten werden gepresenteerd als het voorblad voor de Tijdschrift van de American Chemical Society .

Brandstofcel is een milieuvriendelijk apparaat dat elektriciteit opwekt door middel van een chemische reactie waarbij zuurstof (O ₂ ) en waterstof (H ₂ ) water produceren (H ₂ O). Tijdens dit proces, reductie van waterelektrolyse treedt op als tegenreactie, die water dissocieert om waterstofbrandstof te genereren. Dit staat bekend als de meest milieuvriendelijke en duurzame manier om in grote hoeveelheden zeer zuivere waterstofbrandstof te produceren. Echter, het heeft als nadeel dat het duur en inefficiënt is, omdat het het gebruik van edele metalen als elektroden vereist. Om de eenheidskosten van waterstofbrandstof geproduceerd door waterelektrolyse te verlagen, het is van het grootste belang om een ​​zeer actieve, stal, en goedkope elektrochemische katalysator, die in staat zijn de prestaties van de waterstofproductie te maximaliseren.

hieraan, het gezamenlijke onderzoeksteam ontwierp een zeer effectieve katalysator door aardrijk nikkel te combineren met een reeks oxofiele overgangsmetaalelementen om de adsorptiecapaciteiten in alkalisch HER te optimaliseren. Het team toonde verder aan dat de opname van oxofiele doteermiddelen de adsorptie-eigenschappen van het oppervlak van op Ni gebaseerde katalysatoren effectief kan beheersen.

Om de HER-activiteit van de op Ni gebaseerde katalysatoren verder te verbeteren, de onderzoekers introduceerden een unieke 3-dimensionale (3-D) nanohelix (NH) array, gemakkelijk gefabriceerd door een schuine hoek codepositie methode, voor overvloedige oppervlakte-actieve sites, efficiënte wegen voor ladingsoverdracht, en open kanalen voor massatransport. Ze hadden met succes een zeer actieve en stabiele Cr-geïntegreerde Ni NHs-katalysator gefabriceerd die een uitstekende waterstofproductie-efficiëntie vertoonde met meer dan vier keer verminderde overspanning in vergelijking met de conventionele op nikkel gebaseerde dunne-filmkatalysatoren.

"Dit onderzoek is belangrijk omdat het de wetenschappelijke basis biedt voor hoge prestaties en commercialisering van een duurzaam waterstof-energieconversiesysteem, " legde professor Jong Kyu Kim uit, de corresponderende auteur van het artikel. "De kernconcepten van de ontwerpstrategie en experimentele methodologie voor efficiënte bimetaalelektrokatalysatoren kunnen niet alleen worden toegepast op waterelektrolysers, maar ook voor brandstofcellen, vermindering van kooldioxide, en foto-elektrochemisch systeem. Verwacht wordt dat het veiligstellen van deze originele technologie aanzienlijke rimpeleffecten en technologische expansie in de milieu-energiesector zal hebben."

Professor Jeong Woo Han, de co-corresponderende auteur van het artikel, toegevoegd, "Computationele chemie heeft de waterelektrolysereactie dramatisch versneld door snel bimetalen te vinden die de adsorptiesterkte van de katalysator kunnen regelen om de fabricage van bimetalen elektrokatalysatoren mogelijk te maken met alleen niet-kostbare materialen."