Zeewater zou de perfecte voorraad kunnen zijn voor duurzame brandstof:het is hernieuwbaar, overvloedig, economisch en bevat precies de juiste ingrediënten om hoogwaardige waterstof te produceren. Het nadeel is dat het minder gewenste ingrediënten bevat, zoals chloor, die de conversietechnologie belemmeren. Een internationaal onderzoeksteam heeft mogelijk een alternatief verwerkingsplatform ontwikkeld dat alle voordelen plukt zonder de door chloor veroorzaakte problemen van eerdere pogingen.

Ze publiceerden hun resultaten op 6 september 2022 in Nano Research Energy .

"Zeewaterelektrolyse is een buitengewoon aantrekkelijke benadering voor het oogsten van schone waterstofenergie, maar schadelijke chloorsoorten, zoals chloride of hypochloriet, veroorzaken ernstige corrosie aan de anode", zegt corresponderende auteur Xuping Sun, professor aan de University of Electronic Science and Technology of China en aan de Shandong Normal University.

Elektrolyse omvat het aanbrengen van een elektrische lading op water en het splitsen van de bestanddelen ervan, waarbij waterstof en zuurstof worden geproduceerd. De waterstof kan worden gebruikt als schone brandstof die bij verbranding alleen water uitstoot, in plaats van de schadelijke kooldioxide die vrijkomt bij fossiele brandstoffen. De kathode, of negatieve elektrode, trekt de OH ^- . aan en helpt ze te reduceren tot de doelmoleculen van twee waterstofatomen.

Tegelijkertijd trekt de anode, of positieve elektrode, de negatief geladen moleculen aan en geeft ze elektronen, waardoor ze oxideren. Bij zeewaterelektrolyse trekt de anode echter ook negatief geladen chloorelementen aan, die concurreren met de OH ^- en kan de elektrode onbruikbaar maken.

De elektroden die bij elektrolyse worden gebruikt, kunnen volgens Sun gemaakt zijn van een verscheidenheid aan edelmetaaloxiden, oxiden zonder edelmetalen en multimetaaloxiden, maar bijna allemaal resulteren ze in dezelfde concurrentie- en corrosieproblemen met chloride.

"Onder de materiaalopties zijn gelaagde dubbele hydroxiden geverifieerd als een veelbelovend alternatief voor de gewenste reacties vanwege hun afstembare samenstelling, lagere kosten en goede katalytische activiteiten," zei Sun.

Gelaagde dubbele hydroxidematerialen zijn brucietachtige lamellaire kristallen die zijn samengesteld uit positieve gastheerlagen en ladingsbalancerende tussenlagen. Deze twee lagen vormen een sandwich tussen water en de negatief aangetrokken deeltjes, zoals chloride.

"Eerder onderzoek in onze groep en anderen heeft aangetoond dat nikkel-ijzer gelaagde dubbele hydriden veelbelovende katalytische activiteit en selectieve oxidatiereacties bieden, maar de levensduur van het materiaal moet worden verbeterd," zei Sun. "Dit kan worden gedaan door nevenreacties, zoals chloridecorrosie, te remmen en de uitwisseling van OH ^- te verbeteren , maar een langdurige stabiliteit van ten minste 100 uur voor een grote stroomdichtheid is zelden bereikt op dit materiaal."

Om een ​​stabielere elektrode te verkrijgen, ontwikkelden de onderzoekers een nikkel-ijzer gelaagde dubbele hydride-array op koolstofdoek, met benzoaat - het best bekend als voedselconserveringsmiddel bij gebruik met natriumdeeltjes in de lagen ingebracht.

"In dit werk rapporteren we dat de aanpak een efficiënte en stabiele elektrolyse van zeewateroxidatie bereikt," zei Sun. "Interessant is dat de negatief geladen benzoaationen niet alleen werken als een corrosieremmer met weerstand tegen schadelijke chloor (elektro)chemie, maar ook als een protonacceptor om de pH-daling van de lokale oplossing rond de gelaagde dubbele hydriden-elektrode te verminderen."

Bovendien vergroten de benzoaationen ook de tussenlaagafstand van het materiaal, waardoor elektrolyten er doorheen kunnen dringen en diffunderen. Volgens Sun kan het platform 100 uur ononderbroken bevredigende elektrolyse uitvoeren zonder duidelijke structurele veranderingen te ondergaan.

"Dit ontwerp voldoet met succes aan de meerdere behoeften van een anode voor een efficiënte en stabiele oxidatie van zeewater", zei Sun. "Dit werk biedt ons niet alleen een robuuste katalysator voor hoogactieve elektrolyse van zeewateroxidatie, maar kan ook een opwindende weg openen naar de oppervlakte-engineering van anodische katalysatormaterialen met verbeterde duurzaamheid." + Verder verkennen

Waterstof maken uit zeewater