Bezorgdheid over de stijgende kooldioxidegehalten in de atmosfeer en de opwarming van de aarde hebben het tot een milieunoodzaak gemaakt om fossiele brandstoffen te vervangen door schonere en duurzamere alternatieven. In dit opzicht is waterstof, een schone energiebron, naar voren gekomen als een uitstekende potentiële kandidaat.

Van de verschillende methoden die beschikbaar zijn voor waterstofopwekking, is het splitsen van water met behulp van elektriciteit in aanwezigheid van een katalysator - of elektrokatalytische watersplitsing, zoals het wordt genoemd - de schoonste. Helaas vereist het proces dure en zeldzame edelmetaalkatalysatoren, zoals platina, om een ​​redelijk rendement te behouden. Dit heeft op zijn beurt de grootschalige industriële toepassingen beperkt.

Een relatief goedkope optie zijn op overgangsmetaal gebaseerde katalysatoren, zoals oxiden, sulfiden, hydroxiden van kobalt, nikkel, ijzer enz. Er is echter een addertje onder het gras:de elektrokatalytische watersplitsing bestaat uit twee halfreacties, namelijk de waterstofevolutiereactie ( HER) en de zuurstofevolutiereactie (OER). In OER worden watermoleculen geoxideerd om zuurstof en positieve waterstofionen te vormen aan de anode (positief geladen elektrode). De waterstofionen bewegen dan over de elektrolyt naar de kathode (de negatief geladen elektrode), waar ze worden gereduceerd om waterstof (HER) te produceren. Het blijkt dat de meeste op overgangsmetaal gebaseerde katalysatoren die tot nu toe zijn gerapporteerd, alleen HER of OER kunnen katalyseren. Dit zorgt voor een gecompliceerde configuratie en hogere totale kosten.

Tegen deze achtergrond ontwikkelden onderzoekers van de Chung-Ang University in Korea in een nieuwe studie een nieuwe heterogestructureerde katalysator bestaande uit hol kobaltsulfide (CoS_x ) en nikkel-ijzer (NiFe) gelaagde dubbele hydroxide (LDH) nanosheets die tegelijkertijd beide halfreacties versterken. Dit artikel is op 15 maart 2022 online beschikbaar gesteld en is gepubliceerd in Volume 18 Issue 16 van het tijdschrift Small op 16 april 2022.

"Een redelijke strategie voor het fabriceren van zeer efficiënte katalysatoren voor watersplitsing is om OER-actieve NiFe LDH- en HER-actieve katalysatoren uitvoerig te integreren in een heterostructuur", legt assistent-professor Seung-Keun Park uit, die het onderzoek leidde. "Gezien hun grote oppervlakte en open structuur, wordt aangenomen dat holle HER-katalysatoren ideaal zijn voor deze taak. Het blijkt dat metaal-organische raamwerken (MOF's) een efficiënte voorloper zijn voor het vervaardigen van holle structuren. Echter, een op MOF gebaseerde holle katalysator met NiFe LDH is tot nu toe niet gerapporteerd."

Dienovereenkomstig deponeerden de onderzoekers op een gecontroleerde manier elektrochemisch NiFe LDH-nanobladen op het oppervlak van holle CoS_x nanoarrays ondersteund op nikkelschuim. "De integratie van een actieve HER-katalysator, CoS_x en een OER-katalysator, NiFe LDH, garandeert een superieure bifunctionele katalytische activiteit", zegt Dr. Park.

En inderdaad, de katalysator was in staat om consistent een hoge stroomdichtheid van 1000 mA cm ^-2 te leveren in beide halfreacties bij lage celspanningen, wat de haalbaarheid suggereert voor watersplitsingstoepassingen op industriële schaal. De onderzoekers schreven dit toe aan de aanwezigheid van voldoende actieve plaatsen op de heterostructuur van de katalysator, die de penetratie van elektrolyten en het vrijkomen van gas tijdens de reacties mogelijk maakten. Bovendien vertoonde een elektrolyseur op basis van deze katalysator een hoge stroomdichtheid van 300 mA cm ^-2 bij een lage celspanning en een levensduur van 100 uur bij algehele watersplitsing.

"De verbeterde elektrokatalytische eigenschappen van onze katalysator zijn waarschijnlijk te danken aan de unieke hiërarchische heterostructuur en de synergie tussen de componenten. We geloven dat ons werk ons ​​een stap dichter bij het realiseren van een emissievrije samenleving zal brengen", zegt Dr. Park. + Verder verkennen

Driedimensionale Mn-gedoteerde nanosheets als efficiënte elektrokatalysatoren voor het splitsen van alkalisch water