Waterelektrolyse is een veelbelovende aanpak om waterstof te genereren door elektrische energie, aangedreven door duurzame energie, om te zetten in chemische energie opgeslagen in waterstofbruggen.

Vanwege de lagere bedrijfstemperatuur, hogere spanningsefficiëntie, hogere stroomdichtheden en betere compatibiliteit ten opzichte van traditionele alkalische elektrolysers, is protonenuitwisselingsmembraanwaterelektrolysator (PEMWE) naar voren gekomen als een veelbelovende technologie voor de opwekking van groene waterstof.

De anode-zuurstofontwikkelingsreactie (OER) met trage reactiekinetiek vereist echter meestal een overmatig energieverbruik, wat de efficiëntie van PEMWE aanzienlijk beperkt. Momenteel wordt iridiumoxide (IrO₂ ), dat kan lijden onder zeer oxidatieve en corrosieve omstandigheden, wordt beschouwd als de modernste anodekatalysator voor PEMWE. De hoge kosten die gepaard gaan met een lage massaactiviteit belemmeren echter het gebruik van opschaling.

Daarom is het ontwerpen en onderzoeken van kosteneffectieve katalysatoren met hoge elektrokatalytische prestaties en stabiliteit ten opzichte van zure OER van grote urgentie, maar blijft het nog steeds een uitdaging.

Onlangs is rutheniumoxide (RuO₂ ) wordt beschouwd als een veelbelovend alternatief voor IrO₂ voor zure OER vanwege de hoge intrinsieke activiteit en lage prijs.

Het is bekend dat het verhogen van de initiële oxidatietoestand van Ru in RuO₂ het bevorderen van actieve Ru-gecentreerde oxidatie is een effectieve strategie om de elektrokatalytische prestaties te verbeteren. Met dit doel voor ogen zijn er grote inspanningen geleverd om vreemde elementen te dopen om de valentietoestand van Ru in RuO₂ aan te passen. -gebaseerde katalysatoren, wat leidt tot een sterk verbeterde activiteit.

Echter, de gemakkelijke overoxidatie van Ru-sites om oplosbaar RuO₄ te vormen ^2- soorten met een hoog potentieel tijdens het OER-proces resulteren meestal in de ineenstorting van de kristalstructuur en het oplossen van Ru-soorten, wat precies de reden is voor de ontevreden langetermijnstabiliteit van RuO₂ voor zure OER.

Zo ontwikkelen we een efficiënte strategie om de wiprelatie tussen stabiliteit en activiteit van RuO₂ in evenwicht te brengen -gebaseerde katalysatoren zijn essentieel voor de praktische toepassing van PEMWE, maar toch uitdagend.

Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Wei Luo van de Wuhan Universiteit, China, een aangepaste RuO₂ ontwikkeld katalysator met bismut (Bi) dotering (Bi_0,15 Ru_0,85 O₂ ) om tegelijkertijd de activiteit en stabiliteit in de richting van zure OER te vergroten. Röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS) en Ru L_2,3 -edges X-ray absorptie near-edge structuur (XANES) spectra demonstreren de verhoogde initiële oxidatietoestand van Ru in Bi_0.15 Ru_0,85 O₂ na Bi-doping.

Elektrochemische experimenten, ultraviolette foto-emissiespectroscopie (UPS) en ultraviolet-zichtbare spectroscopie (UV) spectra-karakteriseringen laten een veel snellere elektronenoverdracht en betere elektrische geleiding zien in Bi_0.15 Ru_0,85 O₂ .

Schijnbare activeringsenergietests en berekeningsresultaten van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) suggereren dat de introductie van Bi zowel de schijnbare activeringsenergie als de energiebarrière van de snelheidsbepalende stap van O* naar OOH* effectief kan verminderen, wat kan leiden tot een sterk verbeterde activiteit. met een lage overpotentiaal van 200,0 mV bij 10 mA cm ^-2 , evenals stabiliteit op lange termijn gedurende 100 uur.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het Chinese Journal of Catalysis .

Meer informatie: Liqing Wu et al., Een bi-gedoteerde RuO₂ katalysator voor efficiënte en duurzame oxidatie van zuur water, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64554-1

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen