Elektrolyse is misschien een bekend begrip uit de scheikundelessen op school:twee elektroden worden ondergedompeld in water en onder spanning gezet. Deze spanning zorgt ervoor dat watermoleculen uiteenvallen in hun componenten, en gasbellen stijgen op bij de elektroden:zuurstofgas vormt zich aan de anode, terwijl waterstofbellen zich vormen aan de kathode. Elektrolyse kan waterstof produceren in een CO₂ -neutrale manier - zolang de benodigde elektriciteit wordt opgewekt door fossielvrije energievormen zoals zon of wind.

Het enige probleem is dat deze reacties niet erg efficiënt en extreem traag zijn. Om de reacties te versnellen worden katalysatoren gebruikt op basis van edele en zeldzame metalen zoals platina, ruthenium of iridium. Voor grootschalig gebruik moeten dergelijke katalysatoren echter bestaan ​​uit algemeen verkrijgbare en zeer goedkope elementen.

Chemisch geïnduceerde nanostructuren

Om de zuurstofontwikkelingsreactie aan de anode te versnellen, worden op nikkel gebaseerde materialen als goede kandidaten beschouwd. Nikkel is bestand tegen corrosie, nauwelijks giftig en ook niet duur. Tot nu toe werden echter vooral energie-intensieve processen bij hoge temperatuur gebruikt om op nikkel gebaseerde katalysatormaterialen te produceren.

Een team onder leiding van Dr. Prashanth Menezes (HZB/TU Berlijn) heeft nu een "zachte chemische" manier gevonden om een ​​efficiënte katalysator te produceren op basis van nikkel-silicium intermetallische nanokristallen.

"We combineerden het element nikkel met silicium, het op een na meest voorkomende element in de aardkorst, en bereikten nanostructurering via een chemische reactie. Het resulterende materiaal heeft uitstekende katalytische eigenschappen", zegt Menezes. De kristallijne Ni₂ Si diende als prekatalysator voor de alkalische zuurstofontwikkelingsreactie aan de anode en ondergaat oppervlaktetransformatie om nicke (oxy)hydroxide te vormen als een actieve katalysator onder bedrijfsomstandigheden. Opmerkelijk is dat de waterelektrolyse verder gepaard ging met een organische oxidatiereactie met toegevoegde waarde, waarbij elektrosynthese van industrieel waardevolle nitrilverbindingen werd geproduceerd uit primaire aminen met selectieve en volledige omzetting onder milde omstandigheden. Dergelijke elektrosynthetische methoden kunnen de waterstofproductie aan de kathode verhogen en tegelijkertijd toegang verschaffen tot waardevolle industriële producten aan de anode.

Efficiënter en stabieler

Vergeleken met moderne katalysatoren op basis van nikkel, kobalt, ijzer, ruthenium en iridium, is de nanoporeuze Ni₂ Si is aanzienlijk actiever en blijft stabiel voor een langere reactietijd bij omstandigheden op industrieel niveau. Om het gedrag van Ni₂ . te begrijpen In meer detail combineerde het team verschillende meetmethoden, waaronder elementanalyses, elektronenmicroscopie en moderne spectroscopische metingen bij BESSY II. "In de toekomst zouden zelfs industriële alkalische waterelektrolysers kunnen worden uitgerust met een coating van dit nanoporeuze nikkelsilicide", zegt Menezes.

Het onderzoek is gepubliceerd in Advanced Energy Materials . + Verder verkennen

Met koolstof gecoat nikkel maakt een waterstofbrandstofcel vrij van edele metalen