Een nieuwe elektrokatalysator gemaakt van nikkel (Ni), ijzer (Fe) en silicium (Si) die de hoeveelheid energie vermindert die nodig is om H₂ te synthetiseren uit water is op een eenvoudige en kosteneffectieve manier vervaardigd, waardoor de bruikbaarheid van H₂ wordt vergroot als schone en hernieuwbare energie van de toekomst.

Waterstof is een zeer brandbaar gas dat de wereld kan helpen haar doelstellingen op het gebied van schone energie te bereiken, als het op een milieuverantwoorde manier wordt geproduceerd. Het belangrijkste obstakel bij het maken van waterstofgas uit water is de grote hoeveelheid energie die nodig is voor de elektrolyse van water, oftewel het splitsen van watermoleculen in waterstofgas (H₂ ) en zuurstof (O₂ ).

De meeste H₂ De huidige productie is afkomstig van fossiele brandstoffen, wat bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde. Productie H₂ uit water via de waterstofevolutiereactie (HER) vereist het gebruik van een katalysator, of een middel dat de hoeveelheid energie die nodig is voor een chemische reactie verlaagt. Tot voor kort bestonden deze katalysatoren uit zeldzame aardmetalen, zoals platina, waardoor de kostenefficiëntie en bruikbaarheid van de productie van schone waterstof daalden.

Een groep materiaalwetenschappers van de Dalian University of Technology in Dalian, China, vervaardigde een elektrokatalysator, of een katalysator die elektriciteit gebruikt, met behulp van goedkope materialen en methoden om effectief de energie te verminderen die nodig is om schoon H₂ te genereren. uit water. Belangrijk is dat de ijzer-nikkelsilicide (FeNiSi)-legering, of het mengsel, ook de energie vermindert die nodig is om O₂ te genereren uit water, waardoor de katalysator bifunctioneel wordt.

De onderzoekers publiceerden hun onderzoek in Nano Research Energy .

"Wat de ontwikkeling en praktische toepassing van waterelektrolysetechnologie echt beperkt, zijn elektrokatalytische materialen. Momenteel zijn gewone katalysatoren, zoals edele metalen... meestal katalysatoren met één functie, wat de praktische toepassing van waterelektrolyse voor de productie van waterstof beperkt. Daarom is de onderzoek en ontwikkeling van efficiënte, stabiele, goedkope en milieuvriendelijke bifunctionele elektrokatalytische materialen is een primair doel op het gebied van elektrokatalyse”, zegt Yifu Zhang, senior auteur van de studie en onderzoeker aan de School of Chemistry van de Dalian University of Technology. P>

Overgangsmetaalsilicidelegeringen zijn unieke verbindingen die vaak worden gebruikt in energiegerelateerde velden, goedkoop worden geproduceerd en veelbelovend zijn als potentiële elektrokatalysatoren voor waterhydrolyse. Deze legeringen zijn gemaakt van overgangsmetalen, uitstekende katalysatoren die vrijelijk elektronen doneren en accepteren bij chemische reacties, en Si-atomen, die de stabiliteit, hittebestendigheid en toegankelijkheid van overgangsmetaalatomen van legeringen verbeteren wanneer elektriciteit wordt toegepast.

Fe en Ni, twee overgangsmetalen, zijn zeer geschikt voor gebruik in een overgangsmetaalsilicide voor watersplitsing. "Nikkelsilicide is... diepgaand bestudeerd vanwege zijn lage weerstand en hoge metaalactiviteit, vooral... op elektrochemische gebieden. Bovendien hebben veel recente onderzoeken aangetoond dat op Fe-Ni gebaseerde materialen een aanzienlijk potentieel hebben op het gebied van elektrochemische watersplitsing. Het doel van dit werk was het ontwikkelen van een goedkope, milieuvriendelijke route om ijzer-nikkelsilicide te bereiden als een bifunctionele elektrolytische waterkatalysator (EWS),' aldus Zhang.

Het onderzoeksteam vervaardigde FeNiSi in twee stappen. Eerst werd natuurlijk kleimagadiiet, een bron van silicium, ijzerchloride en nikkelchloride, onder druk verwarmd om een ​​ferri-nikkelsilicaat te creëren. Het ijzer-nikkelsilicaat werd vervolgens gecombineerd en verwarmd met magnesium en natriumchloride (tafelzout) om de geordende structuur van de FeNiSi-legering te ontwikkelen. Belangrijk is dat dit de eerste keer was dat een metallische silicidelegering werd vervaardigd met behulp van dit soort chemische reacties met metaalsilicaten als reactiemateriaal.

Elektronenmicroscopie en röntgenkarakteriseringstechnieken onthulden dat het productieproces veel poriestructuren in de uiteindelijke FeNiSi-legering creëerde, waardoor het oppervlak en de algehele elektrokatalytische prestaties toenamen. De FeNiSi-legering verlaagt het potentieel dat nodig is om zuurstof en waterstof uit water te splitsen met respectievelijk 308 mV voor de zuurstofontwikkelingsreactie (OER) en 386 mV voor de HER, bij een stroomsterkte van 10 mA·cm ⁻² . Ook na 15 uur gebruik vertoonde de elektrokatalysator voldoende duurzaamheid.

Het onderzoeksteam kijkt uit naar FeNiSi en andere transitiemetaalsilicaten die zullen bijdragen aan de synthese van schoon waterstofgas voor toekomstige energiebehoeften.

"Dit werk biedt niet alleen een gemakkelijke methode voor de synthese van intermetallische silicide met aanzienlijke poreuze structuren, maar maakt het ook mogelijk om het intermetallische silicide te beschouwen als een bifunctionele elektrokatalysator voor EWS. Goedkope en efficiënte intermetallische silicide-elektrokatalysatoren zullen nieuwe mogelijkheden bieden voor... hernieuwbare energiebronnen. energieconversie," zei Zhang.

Andere bijdragen zijn onder meer Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao en Xueying Dong van de School of Chemistry aan de Dalian University of Technology in Dalian, China; Changgong Meng van de School of Chemistry en het College of Environmental and Chemical Engineering aan de Dalian University of Technology; en Chi Huang van het College of Chemistry and Molecular Sciences aan de Wuhan Universiteit in Wuhan, China.

Meer informatie: Xuyang Jing et al., Intermetallische ferri-nikkelsilicidelegering afgeleid van magadiiet door magnesiotherme reactie als bifunctionele elektrokatalysator voor algehele watersplitsing, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120104

Aangeboden door Tsinghua University Press