Auf einem Elektrokatalysator gebildete Nanonadeln verbessern die Wasserstoffproduktion
Die kostengünstige und effiziente Herstellung von Wasserstoff ist ein wichtiger Schritt zur Entwicklung alternativer, sauberer Energiequellen. Die elektrochemische Wasserspaltung, bei der Wasser mit Hilfe eines Elektrokatalysators in seine Wasserstoff- und Sauerstoffbestandteile aufgespalten wird, ist eine praktikable Möglichkeit zur Erzeugung von Wasserstoff. Bisher wurden für die Katalysatoren teure Elemente wie Platin verwendet, was eine breite kommerzielle Anwendung dieser Technologie erschwert.
Dieses Diagramm zeigt die Nanonadelstruktur des Elektrokatalysators, der aus molybdändotiertem Nickel-Kobalt-Phosphid besteht. Die Grafik zeigt die Polarisationskurve, die die Verbesserung des Elektrokatalysators durch den Zusatz von Molybdän verdeutlicht. Die untere Grafik veranschaulicht auch das hydrothermale Verfahren mit Gradientenerwärmung zur Herstellung des Elektrokatalysators.
Nano Research, Tsinghua University Press
In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit haben Forscher gezeigt, wie durch die Zugabe von Molybdän zu einem Nickel-Kobalt-Phosphid-Katalysator und dessen Synthese mit einem hydrothermalen Gradientenverfahren, bei dem der Katalysator über 10 Stunden auf 100, 150 und dann 180 Grad Celsius erhitzt wird, eine einzigartige Mikrostruktur entsteht, die die Leistung des Katalysators verbessert und zu einer Wasserstoffproduktion führt, die für die großtechnische Wasserstoffproduktion besser geeignet sein könnte.
"Die innovative Kombination von hydrothermalen Gradienten- und Phosphidierungsprozessen bildet eine Mikrokugelstruktur", sagte Yufeng Zhao, Professor am College of Sciences & Institute for Sustainable Energy an der Universität Shanghai in Shanghai, China. "Diese Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 10 Nanometern bilden Nanonadeln, die sich anschließend selbst zu einer kugelförmigen Struktur zusammenfügen. Die Nanonadeln bieten reichlich aktive Stellen für einen effizienten Elektronentransfer, und das Vorhandensein von kleinen Partikeln und mikroskaliger Rauheit verbessert die Freisetzung von Wasserstoffblasen".
Um diese einzigartige Mikrostruktur zu erzeugen, setzten die Forscher eine Technik namens Elementdotierung ein. Unter Elementdotierung versteht man die absichtliche Zugabe von Verunreinigungen zu einem Katalysator, um dessen Aktivität zu verbessern. In dieser Studie wurde dem bimetallischen Nickel-Kobalt (Ni-Co)-Phosphid (P) Molybdän (Mo) zugesetzt. Ni-Co-Phosphide haben bereits eine außergewöhnliche elektrokatalytische Leistung aufgrund der Art und Weise, wie die Kobalt- und Nickel-Ionen interagieren. Nach Zugabe von Molybdän wurde das Mo-dotierte Ni-CoP in einem hydrothermalen Gradientenverfahren auf einem Nickelschaum abgeschieden. Nach diesem Prozess bildete sich auf dem Phosphid die einzigartige Mikrostruktur von Nanonadeln.
"Die Dotierung mit Spuren von Molybdän optimiert die elektronische Struktur und erhöht die Anzahl der elektroaktiven Stellen", so Zhao. Der Mo-dotierte Ni-CoP-Katalysator wurde auf Zuverlässigkeit, Stabilität und Leistung getestet. Seine Dichte blieb nach 100 Stunden nahezu konstant und seine Struktur blieb gut erhalten, was zum Teil der einzigartigen Struktur der Nanonadeln zu verdanken ist, die verhindern, dass der Katalysator zusammenbricht, wenn sich Wasserstoff ansammelt. Berechnungen zeigten auch, dass der Phosphidkatalysator außergewöhnlich effizient war.
In Zukunft wollen die Forscher die Leistung der Reaktion in verschiedenen Lösungen testen, z. B. in sauren und neutralen Lösungen. Künftige Studien werden sich auch mit Alternativen zu Nickelschaum befassen, wie z. B. Titangitter, die über den gesamten pH-Bereich hinweg funktionieren. "Für künftige Arbeiten empfehlen wir, die Anwendung des Katalysators bei der oxidationsunterstützten Wasserstoffproduktion von kleinen Molekülen wie Harnstoff zu untersuchen. Dieser Ansatz würde das Überpotenzial der Wasserelektrolyse verringern und die Umweltverschmutzung durch Harnstoffabwässer eindämmen", so Zhao.
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