Groene waterstof (of H₂ ) geproduceerd uit hernieuwbare energiebronnen is de brandstof voor een koolstofvrije toekomst. Elektrolyse, of het splitsen van water in zuurstof en waterstof met behulp van een elektrochemische cel, is een van de meest populaire manieren om groene H₂ te produceren .

Het is een eenvoudige reactie, garandeert producten van hoge kwaliteit en heeft geen CO2-uitstoot. Ondanks de voordelen ervan moet de elektrochemische watersplitsing echter nog op commerciële schaal bekendheid krijgen. Dit komt door de lage elektrische geleidbaarheid van actieve (oxy)hydroxidekatalysatoren die in situ worden gegenereerd tijdens de elektrochemische processen. Dit leidt op zijn beurt tot beperkte katalytische activiteit, waardoor zowel waterstof- als zuurstofontwikkelingsreacties in de cel worden belemmerd.

Het probleem van de slechte elektrische eigenschappen van (oxy)hydroxide is al lang een uitdaging voor het bereiken van een efficiënte watersplitsing. Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van universitair hoofddocent Junhyeok Seo van de afdeling scheikunde van het Gwangju Instituut voor Wetenschap en Technologie een oplossing voor dit probleem gevonden in de vorm van Schottky-knooppunten.

In een recente studie gepubliceerd in Applied Catalysis B:Environmental demonstreerden ze een elektrode met een Schottky-overgang gevormd op het grensvlak van metallisch nikkel-wolfraamnitride (Ni-W₅ N₄ ) en halfgeleidende n-type nikkel-ijzer(oxy)hydroxide (NiFeOOH)-katalysator. Deze elektrode kon de geleidingslimiet van (oxy)hydroxide overwinnen en het watersplitsend vermogen van de opstelling verbeteren.

Met name werden twee materialen, een metaal en een halfgeleider, met grotendeels verschillend elektronisch gedrag, met elkaar in contact gebracht om een ​​energieverschil te maken op het grensvlak, waardoor een kruispunt ontstond. "Ons onderzoek maakte gebruik van deze potentiële energiebarrière die aanwezig is in de Schottky-junctie om de elektronenstroom in de elektrode te versnellen, wat leidde tot een significante toename van de zuurstofontwikkelingsreactieactiviteit, waardoor de algehele watersplitsing werd versneld", legt Dr. Seo uit, waarbij hij het kernmechanisme achter hun nieuwe onderzoek benadrukt. ontworpen elektrode.

Bij het elektrokatalytisch splitsen van water constateerde het team dat Ni-W₅ N₄ legering katalyseerde de waterstofontwikkelingsreactie, wat resulteerde in 10 mA/cm ² stroomdichtheid bij een kleine overpotentiaal van 11 mV. Bovendien werd de gelijkrichtende Schottky-overgang gevormd op het grensvlak van Ni-W₅ N₄ |NiFeOOH maakte een einde aan de niet-geleidende laminering geproduceerd door (oxy)hydroxidesoorten.

In voorwaartse bias vertoonde hij een stroomdichtheid van 11 mA/cm ² bij 181 mV overpotentiaal. Uit de elektrochemische analyse van de elektrode bleek dat de verbeterde katalytische activiteit inderdaad kon worden toegeschreven aan de Schottky-overgang.

Ten slotte ontwierpen de onderzoekers een elektrolysator met behulp van hun Schottky-junctie-elektrode voor industriële zeewaterelektrolyse. Ze ontdekten dat het nieuwe apparaat tien dagen lang continu kon werken, terwijl het ook uitstekende katalytische activiteit en duurzaamheid vertoonde tijdens elektrolyse. Het vertoonde een opmerkelijke stroomdichtheid van 100 mA/cm ² bij een overpotentiaal van slechts 230 mV.

Over het geheel genomen zijn de onderzoekers van mening dat deze bevindingen kunnen bijdragen aan een duurzame strategie voor waterstofproductie om uiteindelijk conventionele methoden te vervangen die nog steeds afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen. Zoals Dr. Seo concludeert:"Zoetwater en zeewater zijn overvloedige en hernieuwbare bronnen van protonen. Efficiënte watersplitsingssystemen zorgen ervoor dat we een duurzame productie van koolstofvrije waterstofbrandstof kunnen realiseren, waardoor we onze huidige klimaatproblemen helpen beheersen."

Meer informatie: Selvaraj Seenivasan et al., Schottky-schakelaar afgeleid van metalen W5N4 | katalysatorverbinding:Inschakelen om de katalytische activiteit en duurzaamheid bij de watersplitsingsreactie te verbeteren, Toegepaste katalyse B:Milieu (2023). DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123233

Aangeboden door het Gwangju Instituut voor Wetenschap en Technologie