Elektrolyse is een proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om waterstof- en zuurstofmoleculen uit water te creëren. Het gebruik van protonenuitwisselingsmembraan (PEM) en hernieuwbare energie voor waterelektrolyse wordt algemeen beschouwd als een duurzame methode voor waterstofproductie. Een uitdaging bij het bevorderen van de PEM-waterelektrolysetechnologie is echter het gebrek aan efficiënte, goedkope en stabiele katalysatoren voor de zuurstofontwikkelingsreactie (OER) in zure oplossingen tijdens PEM-waterelektrolyse.

Hoewel op iridium gebaseerde katalysatoren een mogelijke oplossing zijn, is metallisch iridium zeldzaam en duur van aard. Als alternatief kunnen oxiden van ruthenium (RuO₂ ) bieden een meer betaalbare en reactieve optie, maar hebben ook te kampen met stabiliteitsproblemen. Daarom onderzoeken onderzoekers manieren om de stabiliteit van de RuO₂ te verbeteren structuur om veelbelovende OER-katalysatoren te ontwikkelen voor de succesvolle implementatie van waterstofproductietechnologie.

Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in het Journal of Energy Chemistry heeft een groep onderzoekers onder leiding van professor Haeseong Jang van de afdeling Advanced Materials Engineering van de Chung-Ang Universiteit een veelbelovende OER-katalysator ontwikkeld.

Aangeduid als SA Zn-RuO₂ omvat de katalysator RuO₂ gestabiliseerd door enkele zinkatomen. Voortbouwend op hun onderzoek zegt prof. Jang:"We werden gemotiveerd door de noodzaak om efficiënte en kosteneffectieve alternatieve elektrokatalysatoren te vinden voor OER bij PEM-waterelektrolyse. Op basis van ons onderzoek stellen we een dual-engineeringstrategie voor waarbij zinkdoping met één atoom betrokken is en de introductie van zuurstofvacatures om hoge katalytische activiteit in evenwicht te brengen met stabiliteit tijdens zure OER."

De onderzoekers synthetiseerden SA Zn-RuO₂ door een organisch raamwerk te verwarmen met ruthenium (Ru) en zinkatomen, waardoor een structuur wordt gevormd met zuurstofvacatures (ontbrekende zuurstofatomen die de eigenschappen positief veranderen) en Zn-O-Ru-koppelingen.

Deze bindingen stabiliseren de katalysator op twee manieren:door de Ru-O-bindingen te versterken en door elektronen van zinkatomen te leveren om ruthenium te beschermen tegen overoxidatie tijdens het OER-proces. Bovendien verlaagt de verbeterde elektronische omgeving rond de rutheniumatomen de energie die nodig is om moleculen aan het oppervlak te laten hechten, waardoor de energiebarrière voor de reactie wordt verlaagd.

De resulterende katalysator was stabieler, zonder duidelijke daling van de reactiviteit, en presteerde aanzienlijk beter dan commerciële RuO₂ . Bovendien was er minder extra energie nodig (lage overpotentiaal van 213 mV vergeleken met 270 mV voor commerciële RuO₂ ) en bleef langer functioneel (43 uur tegenover 7,4 uur voor commerciële RuO₂ ).

Vanwege de verbeterde stabiliteit en functies is de nieuw voorgestelde SA Zn-RuO₂ katalysator heeft het potentieel om de ontwikkeling van kosteneffectieve, actieve en zuurbestendige elektrokatalysatoren voor OER te beïnvloeden. Dit zou op zijn beurt kunnen helpen bij het verlagen van de kosten en het verbeteren van de productie van groene waterstof, wat zou helpen bij een verschuiving naar schonere energiebronnen en vooruitgang in duurzame technologieën.

“Wij geloven dat deze verschuiving een revolutie teweeg kan brengen in de industrie, de transportsector en de energie-infrastructuur en kan bijdragen aan de inspanningen die gericht zijn op het bestrijden van de klimaatverandering en het bevorderen van een veerkrachtiger en milieubewustere toekomst. Dit komt omdat toegankelijke groene waterstof een transformerende impact kan hebben op samenlevingen door de klimaatverandering te verzachten. impact op het milieu, het creëren van banen en het waarborgen van de energiezekerheid door middel van gediversifieerde en duurzame energieoplossingen", legt prof. Jang uit.

Samenvattend:het zeer reactieve en katalytisch stabiele RuO₂ katalysator voor de zure OER heeft een grotere duurzaamheid en gunstige eigenschappen en biedt potentieel als leidraad voor het ontwerp van robuuste en actieve niet-iridium-gebaseerde OER-elektrokatalysatoren voor praktische toepassingen.

Meer informatie: Qing Qin et al., Afstemmen van de elektronische structuur van RuO₂ door Zn- en zuurstofvacatures met één atoom om de zuurstofevolutiereactie in zuur medium te stimuleren, Journal of Energy Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.jechem.2023.09.010

Aangeboden door Chung Ang Universiteit