Ny metod för vattenelektrolys för grön vätgas

Identification of trends and design of balanced catalysts with composition-specific analysis. Credit: POSTECH
Identification of trends and design of balanced catalysts with composition-specific analysis. Credit: POSTECH

Ny forskning om den krävande uppgiften att utveckla katalysatorer för vätgasproduktion har gjort betydande framsteg.

Professor Yong-Tae Kim från institutionen för materialvetenskap och teknik och Graduate Institute of Ferrous & Eco Materials Technology, och Kyu-Su Kim, en doktorand från institutionen för materialvetenskap och teknik vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH), samarbetade i ett forskningsprojekt som erbjuder en lovande riktning för den framtida utvecklingen av katalysatorer för vattenelektrolys.

Deras studie presenterades som omslagsartikel i ACS Catalysis.

Vattenelektrolys, en metod för att producera vätgas från den rikliga resursen vatten, framstår som en miljövänlig teknik som inte ger några koldioxidutsläpp. Processen har dock begränsningar på grund av att den är beroende av katalysatorer av ädelmetaller som iridium (Ir), vilket gör den ekonomiskt ogenomförbar. Forskare undersöker aktivt utvecklingen av katalysatorer i form av metallegeringar för att ta itu med denna utmaning.

När det gäller forskning om katalys av vattenelektrolys är de främsta katalysatorerna som undersöks iridium, rutenium (Ru) och osmium (Os). Trots sin höga stabilitet uppvisar iridium låg aktivitet och har ett högt pris. Rutenium uppvisar däremot en lovvärd aktivitet och är ett mer kostnadseffektivt alternativ jämfört med iridium, även om det inte har samma stabilitetsnivå.

Osmium, å andra sidan, löses lätt upp under olika elektrokemiska förhållanden, vilket leder till bildandet av nanostrukturer med en utökad elektrokemiskt aktiv ytarea, vilket förbättrar den geometriska aktiviteten.

Inledningsvis utvecklade forskargruppen katalysatorer som använde både iridium och rutenium. Genom att kombinera dessa metaller lyckades de bevara de utmärkta egenskaperna hos var och en av dem, vilket resulterade i katalysatorer som uppvisade förbättringar i både aktivitet och stabilitet. Katalysatorer med osmium uppvisade hög aktivitet tack vare den utökade elektrokemiskt aktiva ytan som uppnåddes genom nanostrukturbildning. Dessa katalysatorer behöll de fördelaktiga egenskaperna hos iridium och rutenium.

Därefter utökade teamet sina experiment till att omfatta alla tre metallerna. Resultaten visade en måttlig ökning av aktiviteten, men upplösningen av osmium hade en skadlig effekt som avsevärt försämrade den strukturella integriteten hos iridium och rutenium. I denna serie påskyndades agglomerering och korrosion av nanostrukturer, vilket ledde till en försämring av balansen i den katalytiska prestandan.

Baserat på dessa resultat har forskargruppen föreslagit flera vägar för vidare katalysatorforskning. Först och främst betonar de behovet av ett mått som samtidigt kan utvärdera både aktivitet och stabilitet. Detta mått, känt som aktivitets-stabilitetsfaktorn, introducerades ursprungligen av Kims forskargrupp 2017.

Dessutom förespråkar teamet att överlägsna katalysatoregenskaper bibehålls även efter bildandet av nanostrukturer, för att förbättra elektrokatalysatorns elektrokemiskt aktiva ytarea. De betonar också vikten av att noggrant välja ut kandidatmaterial som effektivt kan ge synergieffekter när de legeras med andra metaller. Kärnan i denna studie ligger inte i att presentera specifika resultat som utvecklingen av nya katalysatorer, utan snarare i att erbjuda viktiga överväganden för katalysatordesign.

Professor Yong-Tae Kim, som ledde forskningen, sa: ”Den här forskningen markerar början på vår resa, inte slutet.” Han delade med sig av sin vision genom att säga: ”Vi är fast beslutna att fortsätta utveckla effektiva katalysatorer för vattenelektrolys baserat på de insikter vi fått från denna forskning.”

Ytterligare information: Kyu-Su Kim et al, Deteriorated Balance between Activity and Stability via Ru Incorporation into Ir-Based Oxygen Evolution Nanostructures, ACS Catalysis (2023). DOI: 10.1021/acscatal.3c01497

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.