Waterstofgas is een schoon, hernieuwbaar alternatief voor fossiele brandstoffen, maar de huidige industriële productiemethoden die worden gebruikt om waterstof te produceren, laten koolstof vrij in de atmosfeer en vervuilen het milieu.

Een nieuwe katalysator, de koolstofverbinding nikkel-ijzer-molybdeen-fosfide verankerd op nikkelschuim (NiFeMo-P-C), heeft de hoeveelheid elektriciteit die nodig is om zowel waterstof als zuurstof uit water te genereren aanzienlijk verminderd, waardoor een schone en efficiënte manier wordt geboden om waterstofgas te produceren .

Een team van vooraanstaande chemische ingenieurs heeft een kostenefficiënte en gemakkelijk te vervaardigen katalysator ontwikkeld die is ontworpen om de hoeveelheid energie te verlagen die nodig is voor de elektrolyse van water, waarbij watermoleculen met behulp van elektriciteit in waterstof en zuurstof worden gesplitst.

Waterstof- en zuurstofgas worden van water gescheiden via respectievelijk de waterstofontwikkelingsreactie (HER) en de zuurstofontwikkelingsreactie (OER). De overgangsmetaallegering, of mengsel dat ten minste één metaal bevat, nikkel-ijzer-molybdeen (NiFeMo), werd gebruikt als katalysator voor waterelektrolyse vanwege de onvolledige vulling van elektronenorbitalen in overgangsmetaalatomen nikkel en ijzer, waardoor het een ideaal elektron is. donor en acceptor bij chemische reacties. Er werd fosfide aan de katalysator toegevoegd om de corrosieweerstand in een alkalische of basische elektrolytoplossing te verbeteren.

Het team publiceerde de resultaten van hun onderzoek in Nano Research Energy op 7 juli.

“Waterstof wordt erkend als het meest ideale alternatief voor fossiele brandstoffen vanwege de hoge… energiedichtheid, hoge warmteomzettingsefficiëntie en nul-koolstofuitstoot. Algemeen toegepaste waterstofproductiemethoden in de industrie, waaronder stoomreforming van aardgas en methanol en vergassing van kolen, verbruiken fossiele brandstoffen en veroorzaken ernstige vervuiling van het milieu”, zegt Jingjing Tang, supervisor van het onderzoek en universitair hoofddocent aan de Central South University in Changsha, China.

"Waterelektrolyse gebruikt water als grondstof om zeer zuivere waterstof te produceren door elektriciteit om te zetten in chemische energie, wat een schone en veelbelovende waterstofproductietechnologie is", aldus Tang.

Katalysatoren die werden gebruikt om de energie die nodig is voor zowel de HER als de OER te verlagen, bestonden al eerder, maar maakten gebruik van platina en iridiumoxide, waardevolle elementen die zowel duur als schaars zijn. Het creëren van een betaalbare katalysator die de activeringsenergie van beide reacties verlaagt, verlaagt de totale productiekosten en verbetert de commerciële levensvatbaarheid van de productie van schoon waterstofgas.

Een uitdaging bij het ontwerpen van een bifunctionele katalysator waren de speciale eisen van de OER. "Omdat OER een overdrachtsreactie van vier elektronen is met een trage kinetiek, presteert deze over het algemeen beter in een alkalische oplossing. Het was van cruciaal belang om niet-edele, op metaal gebaseerde elektrokatalysatoren te onderzoeken met uitstekende bifunctionele prestaties in een alkalische elektrolyt," zei Tang. Het team creëerde de legering en het metaalfosfide om de katalysatorintegriteit onder deze alkalische omstandigheden te behouden.

Om de samenstelling en valentietoestand van de gegenereerde NiFeMo-P-C-katalysator te testen, onderwierp het team de verbinding aan röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS)-metingen om de aanwezigheid van Ni, Fe, Mo, P, C en O te bevestigen. resolutiespectrum van nikkel identificeerde ook 2p3/2 en 2p1/2 spinbanen, wat verwijst naar de toestand van elektronen in de nikkelatomen van de katalysator.

Over het geheel genomen heeft de nieuw ontwikkelde NiFeMo-P-C-elektrokatalysator zeer lage overpotentialen nodig, of energie die nodig is om water te splitsen, voor HER (87 mV om een ​​stroomdichtheid van 10 mA·cm ^–2 te bereiken ) en OER (196 mV om een ​​stroomdichtheid van 10 mA·cm ^–2 te bereiken ). De celspanning, of het verschil in spanning tussen twee elektroden, die nodig is voor waterelektrolyse met behulp van de katalysator, is ook slechts 1,50 V bij 10 mA·cm ^–2 .

Het team is optimistisch dat hun ontdekking de productie van schone waterstof werkelijkheid zal maken. "In tegenstelling tot de meeste bifunctionele katalysatoren kan NiFeMo-P-C uitstekende katalytische prestaties bereiken zonder ingewikkelde voorbereidingsstappen en uitgebreide nanostructuren. Bovendien maakt de superieure duurzaamheid zonder enige [spanning] verzwakking binnen 50 uur... NiFeMo-P-C tot een ideaal [niet-edelmetaal katalysator] kandidaat... voor grootschalige waterstofproductie", aldus Tang.

Andere bijdragen zijn onder meer Xiangyang Zhou, Tingting Yang, Ting Li, Youju Zi, Sijing Zhang, Lei Yang, Yingkang Liu en Juan Yang van de School of Metallurgy and Environment aan de Central South University in Changsha, China.

Meer informatie: Xiangyang Zhou et al., In-situ fabricage van koolstofverbinding NiFeMo-P verankerd op nikkelschuim als bi-functionele katalysator voor het stimuleren van de algehele watersplitsing, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120086

Aangeboden door Tsinghua University Press