Een groep onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) en Xiamen University heeft nieuwe inzichten onthuld over hoe oppervlakte-rutheniumatomen de waterstofevolutie en oxidatie-activiteiten van platina kunnen verbeteren. Deze ontdekking opent een nieuwe plek voor een rationeel ontwerp van meer geavanceerde katalysatoren voor elektrolyse- en brandstofceltoepassingen.

Waterstof is een schone energiedrager die geen koolstof bevat. Het wordt verondersteld een essentiële rol te spelen in onze toekomstige duurzame samenleving. Waterstof kan worden geproduceerd uit water via de waterstofevolutiereactie (HER) in een elektrolyseur door gebruik te maken van hernieuwbare energiebronnen, en verbruikt via een waterstofoxidatiereactie (HOR) in een brandstofcel om elektriciteit op te wekken. Helaas, deze twee reacties zijn algemeen bekend kinetisch traag in alkalische media, zelfs op de meest actieve platinakatalysatoren. De trage reactiesnelheden beperken de efficiëntie van deze twee elektrochemische apparaten en belemmeren hun brede acceptatie. Het is bekend dat de reactiesnelheden van HER/HOR op platina verbeterd kunnen worden door oppervlaktemodificatie of legering met ruthenium. Echter, de mechanismen voor deze promotie staan ​​al tientallen jaren ter discussie. Een deel van de redenen is een gebrek aan directe observatie van het gedrag van waterstofatomen op de oppervlakken van katalysatoren.

Om het raadsel van hoge HER/HOR-activiteiten op platina-ruthenium bimetaalkatalysatoren te onthullen, een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Minhua Shao, Afdeling Chemische en Biologische Engineering en Energie Instituut bij HKUST, onlangs de krachtige oppervlakteversterkte infraroodabsorptiespectroscopie (SEIRAS) toegepast om de bindingssterkte van het belangrijke reactietussenproduct direct te controleren, waterstofatomen op verschillende oppervlakken. Door de gecombineerde elektrochemische, spectroscopisch, en theoretische studies bevestigden dat de oppervlakte-rutheniumatomen die in wisselwerking staan ​​met het ondergrondse platina een orde van grootte actiever is dan platina, d.w.z., de ruthenium in plaats van platina-atomen zijn de belangrijkste actieve plaatsen in dit systeem.

"Vorige werken gebruikten voornamelijk conventionele elektrochemische en karakteriseringstechnieken, die het adsorptiegedrag van waterstofreactietussenproducten niet direct kunnen volgen. In dit werk, we gebruiken de krachtige oppervlakteversterkte infraroodabsorptiespectroscopie, wat een van de weinige technieken is die waterstofatomen aan het oppervlak direct kunnen "zien", en geeft ons meer directe informatie over hoe ruthenium de activiteit verbetert", aldus Prof. Shao. "Dit werk sluit de meest wijdverbreide theorie uit dat het bifunctionele effect op het grensvlak tussen platina en ruthenium de oorzaak is van verhoogde activiteiten, en opent nieuwe richtingen voor toekomstig ontwerp van meer geavanceerde HER/HOR-katalysatoren, wat bijgevolg het gebruik van edele metalen in zowel waterelektrolyzers als waterstofbrandstofcellen kan verminderen."

Dit werk maakt deel uit van het nieuw opgerichte Collaborative Research Fund-project onder leiding van Prof. Shao "Ontwikkeling van hoogwaardige en duurzame alkalische membraanbrandstofcellen, " en vormt een belangrijk onderdeel van fundamenteel onderzoek voor dit hele project. De volgende werken aan de ontwikkeling van praktische en krachtige bimetaal-platina-ruthenium-elektrokatalysatoren op basis van deze bevindingen zijn aan de gang.

Dit onderzoek is onlangs gepubliceerd in Natuur Katalyse getiteld "De rol van ruthenium bij het verbeteren van de kinetiek van waterstofoxidatie en evolutiereacties van platina."