Waterelektrolyseproces is een systeem dat waterstof produceert door water te elektrolyseren. Het is een milieuvriendelijke technologie die waterstofbrandstof, een toekomstige energiebron, kan produceren zonder milieuverontreinigende stoffen uit te stoten, maar de beperkingen zijn onder meer een lage waterstofproductie-efficiëntie en hoge productiekosten. Een team onderzoekers van de Pohang University of Science and Technology (POSTECH) heeft onderzoek gepubliceerd in Advanced Materials dat beide problemen in één keer oploste.

Een samenwerkend onderzoeksteam bestaande uit professor Jong Kyu Kim, Jaerim Kim, een promovendus, professor Yong-Tae Kim, en dokter Sang-Mun Jung van de afdeling Materiaalwetenschappen en Techniek van POSTECH is erin geslaagd een economisch en efficiënte waterelektrolysekatalysator die de beperkingen van conventionele katalysatoren overwint door gebruik te maken van een schuine hoekafzettingsmethode en nikkel (Ni).

Bij de waterelektrolyseprocessen worden kostbare edelmetalen zoals platina gebruikt als katalysatoren voor de waterstofproductie, waardoor het proces buitensporig duur wordt. Bovendien resulteert het gebruik van conventionele dunne-filmkatalysatoren vaak in een inadequate scheiding van waterstofbellen, wat leidt tot verstoppingen in de actieve plaatsen van de katalysator of het belemmeren van de beweging van reactanten, waardoor uiteindelijk de procesefficiëntie afneemt.

Als antwoord op deze uitdagingen heeft het onderzoeksteam gekozen voor schuine hoekdepositie en nikkel. Deze techniek omvat het kantelen van het substraat tijdens de depositie om eenvoudig verschillende nanostructuren van het materiaal te creëren, wat een eenvoudige en goedkope oplossing biedt. Bovendien valt nikkel op als een overvloedige katalysator van niet-edele metalen op aarde, wat een relatief hoge efficiëntie bij het genereren van waterstof aantoont.

Het team gebruikte een depositiemethode onder een schuine hoek om nikkel te synthetiseren met fijn vervaardigde, verticaal uitgelijnde nanostaafjes. In tegenstelling tot conventionele nanostructuren die alleen maar het oppervlak van de katalysator vergroten, hebben de onderzoekers een zeer poreuze reeks nanostaafjes van nikkel ontwikkeld, die unieke superaërofobe oppervlakte-eigenschappen hebben om de problemen met waterstofhechting op te lossen.

Experimentele resultaten onthulden dat waterstofbellen die tijdens het elektrolyseproces werden gegenereerd, de versnelde scheiding van waterstofbellen van het superaerofobe oppervlak vertoonden. De superaërofobe driedimensionale nikkel-nanostaafjes-katalysator van het team, met effectieve poriënkanalen, demonstreerde een opmerkelijke 55-voudige verbetering in de waterstofproductie-efficiëntie vergeleken met een equivalente hoeveelheid nikkel in een traditionele dunne-filmstructuur.

Professor Jong Kyu Kim en Ph. D. Jaerim Kim, die het onderzoek leidden, legden uit:“Door de efficiëntie van het waterelektrolyseproces voor de productie van groene waterstof te verbeteren, gaan we op weg naar een waterstofeconomie en een koolstofneutrale samenleving. Deze doorbraak is niet komt alleen waterelektrolyse ten goede, maar is ook veelbelovend voor diverse andere toepassingen van hernieuwbare energie waarbij oppervlaktereacties een cruciale rol spelen, zoals de reductie van kooldioxide en systemen voor de omzetting van lichtenergie."

Meer informatie: Jaerim Kim et al, Efficiënte alkalische waterstofevolutiereactie met behulp van superaerofobe Ni-nanoarrays met versnelde afgifte van H2-bellen, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202305844

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie