Als brandbare brandstof draagt ​​de verbranding van waterstofgas niet bij aan de opwarming van de aarde. Tegenwoordig wordt het grootste deel van het waterstofgas echter gegenereerd uit fossiele brandstoffen, en bij dit proces komen broeikasgassen vrij in de atmosfeer. Het opwekken van waterstofgas uit schone bronnen, zoals het splitsen van watermoleculen met elektriciteit door middel van elektrolyse, is belangrijk voor het bereiken van toekomstige koolstofneutraliteit, maar de huidige methoden zijn inefficiënt en beperken de commerciële bruikbaarheid van op waterstof gebaseerde technologieën.

Een nieuwe elektrokatalysator maakt gebruik van verbeterde elektrochemische activiteit, reactieoppervlak en duurzaamheid om de efficiëntie van de productie van waterstofgas via elektrolyse te verbeteren.

Onderzoekers van het Center of Excellence for NaNo Energy &Catalysis Technology (CONNECT), de Universiteit van Xiamen in Maleisië, hebben een efficiënte en duurzame water-elektrokatalysator gesynthetiseerd en gekarakteriseerd, bestaande uit het overgangsmetaal dihalcogenide wolfraamdisulfide (WS₂ ), een tweedimensionaal materiaal met halfgeleidende eigenschappen, dat functioneert als elektronenacceptor of donor in de elektrolysereactie.

De elektrokatalysator, WS₂ /N-rGO/CC, is gemaakt op een koolstofdoek (CC) dat is gebonden aan gereduceerd grafeenoxide (rGO), een tweedimensionale roosterhalfgeleider, gecombineerd met een zeer kleine hoeveelheid stikstof (N) om de eigenschappen van de gereduceerde grafeenoxide-halfgeleider. Een hydrothermische reactie zet tweedimensionale WS₂ om in microscopische, driedimensionale bloemachtige structuren, nanobloemen genaamd, die het oppervlak van de elektrokatalysator vergroten om de reactie-efficiëntie te verbeteren.

Het team publiceerde hun resultaten in het tijdschrift Nano Research .

"Het synthetiseren van een zelfdragende elektrode voor de waterstofevolutiereactie bij waterhydrolyse is cruciaal omdat het een fundamentele uitdaging in de productie van schone energie aanpakt. Traditionele methoden zijn vaak afhankelijk van dure katalysatoren en dragers, die de efficiëntie en schaalbaarheid van waterstofproductie kunnen beperken." werk vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang door het creëren van een zelfdragende elektrode die niet alleen de elektrokatalytische activiteit verbetert, maar ook een kosteneffectieve en duurzame oplossing biedt voor de opwekking van waterstof”, zegt Feng Ming Yap, hoofdauteur van het artikel en afgestudeerde student in de School of Energy and Chemical Engineering aan de Xiamen University Malaysia in Selangor Darul Ehsan, Maleisië.

Omdat de actieve soort van de elektrokatalysator, wolfraamdisulfide, rechtstreeks in de geleidende materialen van de elektrode is opgenomen, WS₂ /N-rGO/CC wordt beschouwd als een zelfdragende elektrode. Er zijn geen polymeerbindmiddelen of additieven aanwezig in de gesynthetiseerde elektrokatalysator om de actieve plaatsen van de katalysator te maskeren of de elektronengeleiding te verminderen, waardoor de reactie-efficiëntie wordt gemaximaliseerd.

Het onderzoeksteam experimenteerde met het opnemen van verschillende hoeveelheden dimethylformamide (DMF) in de uiteindelijke hydrothermische synthesereactie om de beste concentratie te bepalen voor de geprefereerde metallische 1T-faseovergang van WS₂ voor de elektrode. De elektrode die werd ontwikkeld met een concentratie van 50% DMF in water (50% WGC) tijdens de laatste hydrothermische reactie vertoonde superieure eigenschappen ten opzichte van elektroden die waren gesynthetiseerd met behulp van 0, 25, 75 en 100 procent DMF-oplossingen.

"Onze elektrode kan efficiënt waterstof produceren onder een breed scala aan pH-omstandigheden, waardoor hij veelzijdig en aanpasbaar is voor verschillende praktische toepassingen. Het is een stap in de richting van duurzame en efficiënte waterstofproductie, die essentieel is voor een schonere energietoekomst", aldus Wee-Jun. Ong, supervisor van het project en universitair hoofddocent aan de School of Energy and Chemical Engineering aan de Universiteit van Xiamen, Maleisië.

Belangrijk is dat de 50% WGC-elektrokatalysator beter presteerde dan de platina-benchmark-elektrokatalysator, 20% Pt-C/CC, voor de HER in zowel zure als basische omstandigheden. Concreet vertoonde 50% WGC een lager overpotentiaal, of energie die nodig is om water te splitsen, dan 20% Pt-C/CC. Het overpotentiaal voor 50% WGC was 21,13 mV vergeleken met 46,03 mV voor 20% Pt-C/CC.

Het onderzoeksteam is van mening dat kosten- en energie-efficiëntere elektrokatalysatoren, zoals 50% WGS, van cruciaal belang zijn voor het bereiken van de mondiale doelstellingen op het gebied van schone energie. "We willen de schaalbaarheid en praktische implementatie van onze zelfvoorzienende elektrodetechnologie verkennen. Ons uiteindelijke doel is om bij te dragen aan de transitie naar een duurzaam energielandschap, waar waterstof een cruciale rol kan spelen als schone en hernieuwbare energiebron", aldus Op.

Jian Yiing Loh van de School of Energy and Chemical Engineering en het Center of Excellence for NaNo Energy &Catalysis Technology (CONNECT) aan de Xiamen University Malaysia in Selangor Darul Ehsan, Maleisië, heeft ook bijgedragen aan het onderzoek. Dit onderzoek maakt deel uit van de initiatieven van het nationale beleid in Maleisië, namelijk de National Energy Transition Roadmap (NETR) en de Hydrogen Economy and Technology Roadmap (HETR), om de duurzame energie van Maleisië in de komende vijf jaar te faciliteren.

Meer informatie: Feng Ming Yap et al, Synergetische integratie van zelfvoorzienende 1T/2H−WS2 en met stikstof gedoteerde rGO op koolstofdoek voor pH-universele elektrokatalytische waterstofevolutie, Nanoonderzoek (2023). DOI:10.1007/s12274-023-6118-8

Journaalinformatie: Nano-onderzoek

Aangeboden door Tsinghua University Press