Gemakkelijk geproduceerd, natuurachtige nanostructuren van kobaltfosfide zijn zeer effectieve katalysatoren voor de elektrolyse van water, volgens onderzoek uitgevoerd door chemicus Ning Yan en zijn team aan het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences van de Universiteit van Amsterdam, samen met collega's van de School of Physics and Technology aan de Universiteit van Wuhan, China. In een krant op de voorkant van de Journal of Materials Chemistry A , ze beschrijven hoe relatief eenvoudige elektrochemische depositiemethoden gras-, blad-, en bloemachtige nanostructuren die de belofte van efficiënte waterstofgeneratie in zich dragen.

Voor het maken van nanostructuren, top-down benaderingen zoals lithografie zijn al lang gemeengoed. Dit is heel nuttig gebleken bij de fabricage van halfgeleiders, maar voor meer specifieke toepassingen, het is tijdrovend en niet bijzonder kosteneffectief. Als een alternatief, veel onderzoekers onderzoeken de bottom-up synthese van nanostructuren, bijvoorbeeld, gebaseerd op de zelfassemblage van moleculen of bouwstenen op nanoschaal. Echter, het bereiken van geometriecontrole vereist vaak dure additieven en oppervlakteactieve stoffen, waardoor grootschalige materiaalvoorbereiding behoorlijk uitdagend is.

Als een alternatief, Universitair docent Ning Yan, samen met zijn Ph.D. studenten Jasper Biemolt en Pieter Laan van het Van 't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen van de Universiteit van Amsterdam, hebben nu een relatief eenvoudige methode voor elektro-afzetting van kobalthydroxide onderzocht. In samenwerking met onderzoekers van de School of Physics and Technology aan de Wuhan University, China, ze hebben een verscheidenheid aan nano-architecturen kunnen ontwerpen en voorbereiden die lijken op verschillende items in een tuin:aarde, spruiten, grassen, bloemen, en bladeren.

De onderzoekers melden dat ze het systeem zo onder de knie hebben dat ze elk van deze structuren naar believen kunnen laten groeien.

Hieraan toevoegend, ze waren in staat om de nanostructuren katalytisch actief te maken door een eenvoudige fosfidatieprocedure. De resulterende kobaltfosfide-nanostructuren vertonen bifunctionele katalytische activiteit bij elektrolytische watersplitsing, verbetering van zowel waterstof- als zuurstofgeneratiereacties.

Hiërarchische nanostructuren door gecontroleerde synthese

Ning Yan en collega's kweekten hun nanotuinen op een doek bestaande uit koolstofvezels met een diameter van ongeveer 10 micrometer, een veelgebruikt elektrodemateriaal in de brandstofcel- en elektrolyserindustrie. Het tuinieren begon met het afzetten van een laag "aarde" door de vezels hydrothermisch in te kapselen met een dichte laag kobalthydroxide. Deze laag verhoogde de structurele stabiliteit van de nanostructuren. Door variatie van de ionenconcentratie en temperatuur, ze waren in staat om het "spruiten" van grasachtige kenmerken te induceren die sterk in de grond "geworteld" zijn.

Deze grassen hebben een gemiddelde lengte van 1,5 m en een dikte van ongeveer 100 nm. Om bloesems en bladeren toe te voegen aan de met gras begroeide elementen, de onderzoekers pasten een elektrodepositiemethode toe. In een verdunde oplossing, elektrodepositie vindt overwegend plaats vanaf de punt van de grasstengel, waar de kleine kromtestraal resulteert in een hogere ruimteladingsdichtheid. In meer geconcentreerde oplossingen, de elektrodepositie vindt voornamelijk plaats vanaf de onderkant van de stengels. Dit resulteert in de afzetting van "bladige" kenmerken, die in feite verweven dendritische afzettingsstructuren zijn.

Na het omzetten van de kobalthydroxide nanostructuren naar kobaltfosfide door middel van fosfidatie, de onderzoekers evalueerden hun katalytische activiteit in een omgeving die industrieel relevante omstandigheden adequaat vertegenwoordigde. Zoals later bleek, de prestaties van de katalysator in een zure omgeving behoren tot de beste van de huidige superieure niet-edelmetaalkatalysatoren voor waterstofontwikkeling. Verder, in zowel zure als alkalische en neutrale omstandigheden, de bloemrijke nanokenmerken resulteerden in aanzienlijk grotere omzetfrequenties dan de bladachtige kenmerken, vooral bij hogere overpotentialen wanneer waterstofontwikkeling wordt beïnvloed door beperkingen in massatransport. De onderzoekers schrijven dit toe aan de geometrie van de nanokenmerken waarbij de bloemen een vlottere afvoer van waterstof mogelijk maken. Echter, de verschillende reactie-omgevingen aan de boven- en onderkant van de nanostructuren vullen elkaar aan, resulterend in een optimale algehele prestatie.

Eindelijk, in elektrolyse-experimenten op watersplitsing, de onderzoekers toonden aan dat hun nanotuinen niet alleen de waterstofevolutiereactie katalyseren, maar ook de zuurstofevolutie. Deze bifunctionele activiteit werd aangetoond met behulp van een symmetrische opstelling met twee elektroden met volledig identieke nanogardens aan de anode en kathode. Het team zal het gebruik van elektronen om de groei van nanokristallen te beheersen verder onderzoeken in een "geëlektrificeerde" materiaalsynthese die veelbelovend is voor een duurzame toekomst.