Er is een voortdurende strijd om op koolstof gebaseerde energiebronnen te verminderen en deze te vervangen door alternatieven die weinig of geen koolstof bevatten. Het proces van het splitsen van water zou de oplossing kunnen zijn.

De productie van waterstof is een eenvoudige, veilige en effectieve methode om meer energie te produceren dan benzine kan door het eenvoudige proces van het splitsen van water. Het op deze manier oogsten van energie, in plaats van sterk (of helemaal niet) afhankelijk te zijn van op koolstof gebaseerde energiebronnen, wordt steeds meer de standaard. Onderzoekers hebben een methode gevonden om overgangsmetaalsulfiden, zoals tin (Sn), kobalt (Co) en ijzer (Fe) op nikkelschuim te gebruiken, om elektrokatalysatoren van niet-edele metalen te ontwikkelen voor gebruik bij kosteneffectieve en milieuverantwoorde watersplitsing.

De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in Nano Research Energy .

Om succesvol te zijn in deze koolstofreducerende onderneming, moeten sommige reacties voor dit proces worden gestabiliseerd. De ster van het onderzoek is FeSnCo_0.2 S_x O_y /NF, dat zowel als anode als kathode kan fungeren tijdens het splitsen van water bij een lage spanning.

De twee zorgwekkende reacties zijn zuurstofevolutiereacties (OER) en waterstofevolutiereacties (HER). OER genereert O₂ via een chemische reactie uit water. HAAR levert H₂ op van een twee-elektronenoverdrachtsreactie. De resulterende H₂ is nuttig als brandstof. Het gebruik van beide reacties is ideaal voor het creëren van een bifunctionele elektrokatalysator. Elektrokatalysatoren kunnen worden gedefinieerd als katalysatoren (of reactiestarters) die functioneren op elektrodeoppervlakken, dit zijn oppervlakken die een elektrische stroom kunnen geleiden.

HER is stabiel gebleken bij 55 uur continu gebruik en vereist ook een lager overpotentiaal dan OER. Overpotentiaal is het verschil in de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​bepaalde katalysator te laten werken.

Helaas is de stabiliteit van OER nog niet waar deze zou moeten zijn. Dit komt gedeeltelijk door de extra stap die betrokken is bij de elektronenoverdracht, maar ook omdat de elektrolyten waaronder ze functioneren doorgaans agressief zijn. Hoewel OER stabiel is bij continu gebruik van ongeveer 70 uur, neemt de activiteit ervan af naarmate het kobaltgehalte toeneemt.

"Het is van cruciaal belang om de OER-stabiliteit van overgangsmetaalsulfiden te verbeteren, zodat ze kunnen worden gebruikt als bifunctionele HER- en OER-katalysatoren voor omkeerbare waterstofbrandstofcellen", zegt Jingqi Guan, auteur en onderzoeker van het onderzoek.

OER heeft ook een hoger overpotentiaal dan HER. Omdat er een grotere hoeveelheid energie nodig is om de katalysator in werking te stellen, kan OER 'moeilijker' zijn. De combinatie van ijzer, tin en kobalt op nikkelschuim biedt echter enige verbetering in de bifunctionele stabiliteit en zowel HER- als OER-activiteit.

De combinatie van deze metalen en de gevormde heterostructurele grensvlakken kunnen de verdeling van de elektronen over het elektrolytoppervlak aanpassen. 'Heterostructureel' verwijst hier naar een halfgeleider die een gewijzigde chemische samenstelling kan hebben, afhankelijk van de positie waarin de twee chemicaliën zich bevinden. In dit geval is het een sulfide/oxyhydroxide-duo.

Een gelijkmatige verdeling van elektronen helpt de snelheid van ladingsoverdracht door de hele structuur te verhogen, wat vervolgens de overdracht van elektronen bevordert. Vanwege de aard van deze halfgeleider zou het vergroten van de stabiliteit op natuurlijke wijze de algehele activiteit en functie verbeteren.

Over het algemeen hebben deze overgangsmetalen een synergetisch effect op elkaar, vooral wanneer ze HER ondergaan. Dit effect maakt ze ideale kandidaten voor de belangrijkste uitdaging die door onderzoekers wordt voorgesteld:het verminderen van op koolstof gebaseerde energiebronnen.

Hoewel de resultaten veelbelovend waren, zijn er altijd stappen die in de toekomst kunnen worden gezet om een ​​proces te perfectioneren. Het vinden van een katalysator die de overpotentialen minimaliseert, kan de energie-input die nodig is om de reactie te katalyseren, verminderen. Bovendien is het van cruciaal belang voor het langetermijnsucces van de heterostructurele interfaces dat de ontwikkelde elektrokatalysatoren duurzaam genoeg zijn om commercieel te worden gebruikt en lange uren ononderbroken gebruik kunnen weerstaan ​​zonder enige nadelige gevolgen.

Meer informatie: Siyu Chen et al, Interface-engineering van Fe-Sn-Co-sulfide/oxyhydroxide heterostructurele elektrokatalysator voor synergetische watersplitsing, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120106

Aangeboden door Tsinghua University Press