Durchbruch bei der sauren Wasserelektrolyse durch Katalysatoren auf Rutheniumbasis
Wasserstoffkraftstoff mit den Vorteilen von sauberem, erneuerbarem und hocheffizientem Kraftstoff gilt als der "ultimative Kraftstoff" und wird weltweit immer mehr beachtet. Die Wasserelektrolyse ist eine ideale Methode zur Herstellung von Wasserstoff, erfordert aber aktive und stabile Katalysatoren, die diesen Prozess effizienter und kostengünstiger machen. Ohne geeignete Katalysatoren erscheint die Umwandlung von Wasser in Kraftstoff nur zu gut, um wahr zu sein.
Die Oxygen Evolution Reaction (OER) und die Oxygen Reduction Reaction (ORR) können als zwei Trophäen auf dem Gebiet der effizienten Nutzung von Wasserstoffenergie angesehen werden. Allerdings, in saurem OER, war ein hohes angelegtes Potenzial erforderlich und die Stabilität des Katalysators ist sehr schlecht, was zu einer langsamen Kinetik führte. Mit dem Ru-Katalysator wird der Prozess deutlich beschleunigt.
CUI Jie
Ru war atomar in einem Metallträger dispergiert. In saurer Elektrolytumgebung wurden Wassermoleküle an der aktiven Stelle Ru-Atom unter dem angelegten Potenzial adsorbiert, und dann verstärkt der einatomige Ru-Katalysator die saure Wasserelektrolyse, die Sauerstoff über den OOH-Mechanismus produziert. (Violette, blaue, rote und weiße Kugeln repräsentieren Ru-, Pt-, O- und H-Atome.)
WU Yuen
Glücklicherweise bringt eine aktuelle Studie diesen Traum näher. Das Team von Professor WU Yuen von der University of Science and Technology of China (USTC) hat erfolgreich eine Art Ruthenium-Einzelatom-Legierungskatalysator entwickelt, der den Prozess der Wasserelektrolyse mit geringerem Überpotenzial (220 mV) stark beschleunigt.
Die Gruppe hat erfolgreich einen Ruthenium (Ru)-Katalysator mit einem einzigen Atom durch Oberflächenfehler-Engineering hergestellt, um einzelne Atome einzufangen und zu stabilisieren. Der Einzelatom-Ru-Katalysator liefert ein um 90 mV niedrigeres Überpotential, um eine Stromdichte von 10 mA/cm2 zu erreichen, und eine Größenordnung mit einer längeren Lebensdauer als das kommerzielle RuO2.
In dieser Studie konstruierten die Forscher eine Reihe von legierungsgestütztem Ru1 unter Verwendung verschiedener PtCu-Legierungen durch sequentielles Säureätzen und elektrochemisches Auswaschen. Sie fanden auch eine Vulkanbeziehung zwischen der Aktivität der Sauerstoffevolutionsreaktion (OER) und der Gitterkonstante der PtCu-Legierungen. Untersuchungen der Dichtefunktionaltheorie zeigen, dass die Druckdehnung der Pt-Haut die elektronische Struktur der Ru1 in die Wege leitet, was eine optimierte Bindung von Sauerstoffspezies und eine bessere Beständigkeit gegen Überoxidation und Auflösung ermöglicht.
Im Vergleich zu Iridium-basierten Systemen, die eine bessere Lösungsfestigkeit aufweisen, haben Ru-basierte Systeme mehr Reserven und wurden aufgrund ihres geringeren Überpotentials als aktiverer OER-Katalysator bewertet.
Diese Forschung macht die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse einfacher und effizienter und ermöglicht es den Menschen, das große Potenzial von Wasserstoff als alternative neue Energie in der Zukunft zu sehen.
Dennoch ist das Stabilitätsproblem des Katalysators bisher nicht vollständig gelöst. "Es gibt noch viele Untersuchungen, um das Reaktionssystem weiter zu verbessern, und wir werden weiterhin Experimente entwerfen und versuchen, den besten Weg zu finden, um die Aktivität und Stabilität von Katalysatoren zu erhöhen", sagte Ph.D. YAO.
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