Hoewel waterstof algemeen wordt gesuggereerd als een alternatieve brandstof zonder CO2-uitstoot, het grootste deel van de commerciële productie van waterstofbrandstof wordt verkregen door de raffinage van fossiele brandstoffen. Het beperkte reservoir van fossiele brandstoffen en hun negatieve impact op het milieu heeft onderzoekers aangemoedigd om alternatieve technologieën te ontwikkelen om waterstofbrandstof te produceren via een milieuvriendelijk proces. Dergelijke "groene waterstof" kan worden geproduceerd door de elektrolyse van water, die overvloedig aanwezig is in de natuur, gebruik van elektriciteit afkomstig van een hernieuwbare energiebron. Echter, de efficiëntie van waterelektrolyse is aanzienlijk beperkt door de trage zuurstofevolutiereactie (OER), die een hoge thermodynamische spanning van 1,23 V vereist.

Om energie te besparen voor waterstofopwekking, het vervangen van trage waterelektrolyse door ureumoxidatiereactie (UOR) biedt een grote belofte, vanwege thermodynamisch gunstig (0,37 V, thermodynamische spanning) voorwaarden van ureumelektrolyse. Er is een bijkomend voordeel van het verminderen van het probleem van ureumverontreiniging, waar rond de 2, Jaarlijks wordt 200 miljard ton ureumrijk afvalwater in de rivier geloosd. Katalysatoren op basis van edele metalen, zoals platina (Pt) en rhodium (Rh), worden gebruikt om de snelheid van het oxidatieproces te verhogen. Echter, deze edelmetaalkatalysatoren zijn erg duur en vertonen slechte prestaties bij langdurig gebruik.

Onlangs, single-atom-catalysts (SAC's) hebben uitzonderlijke prestaties laten zien in vergelijking met tegenhangers op basis van nanomaterialen. Echter, de lage metaalbelasting ( <3 gew.%) SAC's, die wordt veroorzaakt door de neiging van de oppervlakte-atomen om te migreren, vormt een serieuze uitdaging voor een schaalbare applicatie.

Onder leiding van Associate Director LEE Hyoyoung van het Center for Integrated Nanostructure Physics binnen het Institute for Basic Science (IBS) aan de Sungkyunkwan University, het IBS-onderzoeksteam ontwikkelde een strategie om ultrahoge belasting van enkele metaalatoomsites te bereiken. Dit werd bereikt door oppervlaktespanning op het dragermateriaal te introduceren, waardoor een uitzonderlijke ureumoxidatie mogelijk was voor het genereren van waterstofbrandstof.

"We gebruikten de afschrikmethode met vloeibare stikstof om trekspanning te genereren op het oppervlak van kobaltoxide (Co ₃ O ₄ ). De ultrahoge koelsnelheid breidt de roosterparameter van het gedoofde monster uit vanwege thermische uitzetting, waardoor een trekspanning op het oxide-oppervlak ontstaat. Het gespannen oppervlak van Co ₃ O ₄ gestabiliseerd ~ 200% hogere belading van rhodium enkelvoudig atoom (Rh _SA ; 6,6 gew.% bulklading en 11,6 gew% oppervlaktelading) vergeleken met de ongerepte Co ₃ O ₄ oppervlakte. We ontdekten dat het gespannen oppervlak de migratie-energiebarrière van Rh . aanzienlijk kan verhogen _SA vergeleken met het ongerepte oppervlak, het remmen van hun migratie en agglomeratie, " zegt de promovendus, Ashwani Kumar, de eerste auteur van de studie.

"We waren erg enthousiast toen we ontdekten dat de hoge belasting van Rh _SA gestabiliseerd op de gespannen Co ₃ O ₄ oppervlak vertoonde uitzonderlijke UOR-activiteit en stabiliteit in zowel alkalische als zure media, die veel beter was dan de commerciële Pt/C en Rh/C. Deze oppervlaktespanningsstrategie op het gebied van SAC's is nooit gerapporteerd tot onze bevindingen, " merkt adjunct-directeur Lee op, de corresponderende auteur van de studie. De onderzoekers ontdekten ook dat deze strategie voor de hoge belasting van sites met één atoom niet alleen beperkt was tot rhodium. Ultrahoge belasting van andere edele metalen zoals platina, iridium, en op ruthenium gebaseerde single-atom sites werden ook gestabiliseerd met behulp van de gespannen oppervlaktestrategie, die grond biedt voor een meer algemene toepassing van deze ontdekking.

Het onderzoeksteam evalueerde de katalytische efficiëntie en de werkspanning die nodig is voor ureumoxidatie met behulp van deze nieuwe katalysator. De geavanceerde katalysator (Rh _SA op gespannen Co ₃ O ₄ ) vereist slechts 1,28 V vs. omkeerbare waterstofelektrode (RHE) om een ​​stroomdichtheid van 10 mA (milliampère) per cm2 van de elektrode te bereiken, die lager was dan de vereisten van de commerciële Pt- en Rh-katalysatoren van 1,34 en 1,45 V, respectievelijk. In aanvulling, de katalysator vertoonde ook stabiliteit op lange termijn gedurende 100 uur zonder enige verandering van structuur. De groep gebruikte simulatie van de dichtheidsfunctionaaltheorie om de oorsprong van de buitengewone prestaties van de nieuwe katalysator te onderzoeken, waarvan werd onthuld dat dit het gevolg was van superieure ureumadsorptie en stabilisatie van CO*/NH*-tussenproducten. Verder, de elektrolyse van ureum bespaarde ~16,1% meer energie in vergelijking met waterelektrolyse voor waterstofopwekking.

Associate Director Lee legt uit, "Deze studie biedt een algemene strategie voor het stabiliseren van een hoge belasting van sites met één atoom voor schaalbare toepassingen, wat een al lang bestaand probleem was in het dossier van SAC's. In aanvulling, deze studie brengt ons een stap dichter bij een koolstofvrije en energiebesparende waterstofeconomie. Deze zeer efficiënte elektrokatalysator voor ureumoxidatie zal ons helpen de langetermijnuitdagingen van het raffinageproces van fossiele brandstoffen het hoofd te bieden:het produceren van zeer zuivere waterstof voor commerciële toepassingen tegen een lage prijs en op een milieuvriendelijke manier."

De studie werd op 30 september gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen .