Recent onderzoek naar de veeleisende taak van het ontwikkelen van katalysatoren voor de productie van waterstof heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt.

Professor Yong-Tae Kim van de afdeling Materials Science and Engineering en het Graduate Institute of Ferrous &Eco Materials Technology, en Kyu-Su Kim, een doctoraalstudent van de afdeling Materials Science and Engineering aan de Pohang University of Science and Technology (POSTECH ), heeft meegewerkt aan een onderzoeksproject dat een veelbelovende richting biedt voor de toekomstige ontwikkeling van katalysatoren voor waterelektrolyse.

Hun onderzoek werd gepresenteerd als omslagartikel in ACS Catalysis .

Waterelektrolyse, een methode om waterstof te produceren uit de overvloedige bron van water, komt naar voren als een milieuvriendelijke technologie die geen uitstoot van kooldioxide veroorzaakt. Dit proces kent echter beperkingen vanwege de afhankelijkheid van edelmetaalkatalysatoren zoals iridium (Ir), waardoor het economisch onhaalbaar wordt. Onderzoekers onderzoeken actief de ontwikkeling van katalysatoren in de vorm van metaallegeringen om deze uitdaging aan te pakken.

Op het gebied van waterelektrolysekatalyseonderzoek zijn de belangrijkste katalysatoren die onder de loep worden genomen iridium, ruthenium (Ru) en osmium (Os). Iridium vertoont, ondanks zijn hoge stabiliteit, een lage activiteit en heeft een hoge prijs. Omgekeerd vertoont ruthenium een ​​lovenswaardige activiteit en is het een kosteneffectievere optie vergeleken met iridium, hoewel het hetzelfde niveau van stabiliteit mist.

Osmium daarentegen lost gemakkelijk op onder verschillende elektrochemische omstandigheden, wat leidt tot de vorming van nanostructuren met een groter elektrochemisch actief oppervlak, waardoor de geometrische activiteit wordt verbeterd.

Aanvankelijk ontwikkelde het onderzoeksteam katalysatoren met zowel iridium als ruthenium. Door deze metalen te combineren, behielden ze met succes de uitstekende eigenschappen van elk, wat resulteerde in katalysatoren die verbeteringen in zowel activiteit als stabiliteit vertoonden. Katalysatoren waarin osmium was verwerkt, vertoonden een hoge activiteit vanwege het uitgebreide elektrochemische actieve oppervlak dat werd bereikt door de vorming van nanostructuren. Deze katalysatoren behielden de voordelige eigenschappen van iridium en ruthenium.

Vervolgens breidde het team hun experimenten uit naar alle drie de metalen. De resultaten lieten een gematigde toename van de activiteit zien, maar het oplossen van osmium had een schadelijk effect, waardoor de structurele integriteit van iridium en ruthenium aanzienlijk werd aangetast. In deze serie werd de agglomeratie en corrosie van nanostructuren versneld, wat leidde tot een afname van de balans van de katalytische prestaties.

Op basis van deze bevindingen heeft het onderzoeksteam verschillende wegen voor verder katalysatoronderzoek voorgesteld. Eerst en vooral benadrukken ze de behoefte aan een maatstaf die tegelijkertijd zowel activiteit als stabiliteit kan evalueren. Deze maatstaf, bekend als de activiteitsstabiliteitsfactor, werd voor het eerst geïntroduceerd door Kims onderzoeksgroep in 2017.

Bovendien pleit het team voor het behoud van superieure katalysatoreigenschappen, zelfs na de vorming van nanostructuren, om het elektrochemische actieve oppervlak van de elektrokatalysator te vergroten. Ze benadrukken ook het belang van het zorgvuldig selecteren van kandidaatmaterialen die effectief kunnen synergiseren wanneer ze worden gelegeerd met andere metalen. De essentie van deze studie ligt niet in het presenteren van specifieke uitkomsten, zoals de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, maar eerder in het bieden van essentiële overwegingen voor het ontwerp van katalysatoren.

Professor Yong-Tae Kim, die leiding gaf aan het onderzoek, zei:"Dit onderzoek markeert het begin van onze reis, niet de conclusie." Hij deelde zijn visie door te zeggen:"Wij zijn toegewijd aan de voortdurende ontwikkeling van efficiënte waterelektrolysekatalysatoren, gebaseerd op de inzichten die uit dit onderzoek zijn verkregen."

Meer informatie: Kyu-Su Kim et al., Verslechterd evenwicht tussen activiteit en stabiliteit via Ru-opname in op IR gebaseerde zuurstofevolutie-nanostructuren, ACS-katalyse (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c01497

Journaalinformatie: ACS-katalyse

Aangeboden door Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie