In het recente verleden, er heeft een paradigmaverschuiving plaatsgevonden naar hernieuwbare energiebronnen om de zorgen met betrekking tot aantasting van het milieu en afnemende fossiele brandstoffen aan te pakken. Een verscheidenheid aan alternatieve groene energiebronnen zoals zonne-energie, wind, hydrothermisch, getij, enzovoort., aandacht hebben gekregen om de wereldwijde CO2-voetafdruk te verkleinen. Een van de belangrijkste uitdagingen met deze technologieën voor energieopwekking is dat ze intermitterend zijn en niet continu beschikbaar zijn.

"We kunnen 's nachts geen zonne-energie gebruiken en windenergie als de wind niet waait. Maar we kunnen de opgewekte elektriciteit in andere vormen opslaan en gebruiken wanneer dat nodig is. Zo overbrugt watersplitsing de kloof en is het een veelbelovend technologie voor energieopslag, " zei professor Masayuki Yagi, die onderzoek doet naar materialen en technologie voor energieopslag bij de afdeling Materials Science and Technology, Faculteit Ingenieurswetenschappen / Graduate School of Science and Technology, Niigata-universiteit. Het splitsen van water is een van de veelbelovende oplossingen voor energieopslag die de wereld mogelijk naar een waterstofeconomie kunnen drijven.

Het waterdissociatieproces, ook bekend als kunstmatige fotosynthese, gebruikt traditioneel elektriciteit om het watermolecuul te splitsen door twee halve reacties in een elektrochemische cel. De waterstofontwikkelingsreactie vindt plaats bij de kathode waar waterstofbrandstof wordt gegenereerd en de wateroxidatie vindt plaats bij de anode waar ademende zuurstof vrijkomt. Hoewel water een eenvoudig molecuul is dat uit slechts drie atomen bestaat, het proces van dissociëren is behoorlijk intens en uitdagend.

De aanvankelijke energie, in wetenschappelijke termen bekend als de overpotentiaal, speelt een cruciale rol bij het beïnvloeden van het verloop van de reactie. Voor de materialen die tot nu toe zijn onderzocht, de aanvankelijke energie die nodig is om de waterstofontwikkeling aan de kathode en zuurstofontwikkeling aan de anode op gang te brengen, is zo hoog dat het proces de totale kosten van de reactie escaleert, daarbij, nadelige gevolgen voor het commerciële gebruik ervan. Dit is met name een grote zorg bij de anode omdat de zuurstofontwikkelingsreactie de overdracht van vier elektronen met zich meebrengt, wat een hogere initiële energie vereist in vergelijking met de reactie aan de kathode.

Prof. Yagi's onderzoeksteam aan de Niigata University, in samenwerking met onderzoeksmedewerkers aan de Yamagata University, doen onderzoek naar de elektrokatalytische watersplitsing en om de belangrijkste tekortkomingen aan te pakken. Ze zijn succesvol geweest in het ontwikkelen van een efficiënt waterdissociatieproces met behulp van op nikkel gebaseerde nanoverbindingen als anoden, dat als wetenschappelijk artikel is gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen op 20 mei.

In dit onderzoek, Het team van prof. Yagi heeft waargenomen dat de op nikkelsulfide nanodraden gebaseerde anode de reductie van initiële energie die nodig is voor de zuurstofontwikkelingsreactie heeft ondersteund. "We hebben de anode gefabriceerd met behulp van een uniek motief van nikkelsulfide-nanodraden die in koolstofnitride-schedes zijn gestopt. De koolstofnitride-schedes voorkomen dat het kerngebied van NiS _x staven transformeren naar hun oxide, waardoor ze worden beschermd tegen verdere degradatie. Op het oppervlak van de nikkelsulfide nanodraden, er wordt een dunne oxidefilm gevormd door het contact met de elektrolytoplossing, die de zuurstofontwikkelingsreactie vergemakkelijkt, " verklaarde prof. Yagi.

Het onderzoeksteam heeft geconstateerd, met behulp van geavanceerde microscopietechnieken en elektrochemische metingen, dat de gefabriceerde anode helpt bij het verminderen van de initiële energie, die het overdrachtsproces van vier elektronen in de zuurstofevolutiereactie versnelt. De onderzoeksresultaten van prof. Yagi's team hebben een enorm potentieel voor het verbeteren van de langetermijnprestaties en stabiliteit van de elektrochemische cel.

Dit onderzoek is een belangrijke mijlpaal in het verbeteren van de efficiëntie van de watersplitsingstechnologie. Prof. Yagi zei, "Dit resultaat is een grote doorbraak in het elektrokatalytische watersplitsingssysteem en kan ongetwijfeld bijdragen aan het realiseren van de koolstofarme menselijke samenleving in de nabije toekomst."