De goedkope, efficiënte productie van waterstof is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van alternatieve, schone energiebronnen. Elektrochemische watersplitsing, waarbij water met behulp van een elektrokatalysator in zijn waterstof- en zuurstofelementen wordt gesplitst, is een haalbare optie voor de productie van waterstof. Conventioneel zijn katalysatoren gebaseerd op kostbare elementen zoals platina, wat het moeilijk maakt om deze technologie op wijdverbreide, commerciële schaal toe te passen.

In een onlangs gepubliceerd artikel hebben onderzoekers aangetoond hoe het toevoegen van molybdeen aan een nikkel-kobaltfosfide-katalysator en het synthetiseren ervan met een gradiënt hydrothermisch proces, waarbij de katalysator gedurende 10 uur wordt verwarmd tot 100 graden, 150 graden en vervolgens tot 180 graden Celsius, leidt tot een unieke microstructuur die de prestaties van de katalysator verbeterde, wat resulteerde in waterstofproductie die beter toepasbaar zou kunnen zijn voor grootschalige waterstofproductie.

Het artikel is gepubliceerd in Nano Research .

"De innovatieve combinatie van gradiënt-hydrothermische en fosfidatieprocessen vormt een microsfeerstructuur", zegt Yufeng Zhao, professor aan het College of Sciences &Institute for Sustainable Energy aan de Shanghai University in Shanghai, China.

“Deze nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 5 tot 10 nanometer vormen nanonaalden, die zichzelf vervolgens assembleren tot een bolvormige structuur. De nanonaalden bieden overvloedige actieve plaatsen voor efficiënte elektronenoverdracht en de aanwezigheid van kleine deeltjes en de ruwheid op microschaal verbetert de vrijkomen van waterstofbellen."

Om deze unieke microstructuur te creëren, gebruikten onderzoekers een techniek die elementdoping wordt genoemd. Elementdoping is de opzettelijke toevoeging van onzuiverheden aan een katalysator om de activiteit ervan te verbeteren. In deze studie werd molybdeen (Mo) toegevoegd aan het bimetaal nikkel-kobalt (Ni-Co) fosfide (P).

Ni-Co-fosfiden hebben al uitzonderlijke elektrokatalytische prestaties vanwege de manier waarop de kobalt- en nikkelionen op elkaar inwerken. Na het toevoegen van het molybdeen en vervolgens met behulp van een gradiënthydrothermisch proces werd het Mo-gedoteerde Ni-CoP afgezet op een nikkelschuim. Na dit proces vormde zich de unieke microstructuur van nanonaalden op het fosfide.

"Spoormolybdeendoping optimaliseert de elektronische structuur en vergroot het aantal elektroactieve locaties", zegt Zhao. De Mo-gedoteerde Ni-CoP-katalysator werd getest op betrouwbaarheid, stabiliteit en prestaties. De dichtheid bleef na 100 uur vrijwel constant en de structuur bleef goed behouden, deels dankzij de unieke structuur van de nanonaalden, die voorkomen dat de katalysator instort als waterstof zich ophoopt. Uit berekeningen bleek ook dat de fosfidekatalysator uitzonderlijk efficiënt was.

Vooruitkijkend hopen onderzoekers de prestaties van de reactie in verschillende oplossingen, zoals zure en neutrale oplossingen, te testen. Toekomstige studies zullen ook kijken naar alternatieven voor nikkelschuim, zoals titaniumgaas, dat over het hele pH-bereik kan werken. "In toekomstig werk raden we aan de toepassing van de katalysator te onderzoeken bij de oxidatie-geassisteerde waterstofproductie van kleine moleculen, zoals ureum. Deze aanpak zou het overpotentieel van waterelektrolyse verminderen en de milieuvervuiling veroorzaakt door ureumafvalwater verminderen", aldus Zhao.

Meer informatie: Chengyu Huang et al., Zeer efficiënte en stabiele elektrokatalysator voor waterstofontwikkeling door met molybdeen gedoteerde Ni-Co-fosfide nanonaalden bij hoge stroomdichtheid, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-5892-7

Journaalinformatie: Nano-onderzoek

Aangeboden door Tsinghua University Press