Forscher berichten von absichtlichen Fehlern, die die Reaktionen verbessern

Ein Defekt ist nicht immer etwas Schlechtes. Wenn es darum geht, den Elektrokatalyseprozess zu verbessern, der sauber verbrennendes Wasserstoffgas erzeugt, könnte dies sogar eine sehr gute Sache sein. In China ansässige Forscher haben einen Elektrokatalysator entwickelt, der eine gewünschte Reaktion beschleunigt und sowohl amorphe als auch kristalline Architekturen aufweist, die Defekte in der Atomstruktur enthalten. Die Defekte ermöglichen es dem Elektrokatalysator, eine „überlegene“ Reaktionsaktivität auszulösen, berichtete das Team.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie am 15. Mai in Nano Research Energy.

„Die Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse – oder die Nutzung von elektrischem Strom zur Spaltung von Wasser, um Wasserstoff von Sauerstoff zu trennen – durch erneuerbare Energien ist eine vielversprechende Technologie zur Eindämmung und Lösung der Energie- und Umweltkrise“, sagte Cuiling Li, Professor an der Chinesischen Akademie des Technischen Instituts für Physik und Chemie der Wissenschaften, das auch mit dem Beijing Institute of Technology und dem Binzhou Institute of Technology verbunden ist.

Die Sauerstoffentwicklungsreaktion ist die anodische Reaktion der Wasserelektrolyse, bei der Gleichstrom eine chemische Reaktion auslöst, die die Sauerstoffmoleküle von den Wassermolekülen trennt. Allerdings bezeichnete Li diese Reaktion als „einen trägen Prozess“, der die Wasserelektrolyse als nachhaltigen Mechanismus zur Herstellung von Wasserstoffgas einschränkt. Laut Li ist die Sauerstoffentwicklungsreaktion langsam, da sie viel Energie erfordert, um die Übertragung ihrer Bestandteile durch die Moleküle auszulösen. Sie könnte jedoch mit weniger Energie beschleunigt werden, wenn effizientere Katalysatoren integriert würden.

„Der Einsatz effizienter Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion ist für die Entwicklung elektrochemischer Geräte zur sauberen Energieumwandlung von größter Bedeutung“, sagte Li.

Die Forscher wandten sich Rutheniumoxid zu, einem kostengünstigeren Katalysator, der weniger an Reaktanten und Zwischenprodukten haftet als andere Katalysatoren.

„Es wurde über Nanomaterialien auf Rutheniumoxidbasis mit einer besseren Leistung bei der Sauerstoffentwicklungsreaktion im Vergleich zu kommerziellen Produkten berichtet, während ausgefeiltere Elektrokatalysator-Designstrategien zur Erzielung einer effizienteren katalytischen Leistung dringend erforderlich und weitgehend unerforscht sind“, sagte Li.

Um diese Lücke zu schließen, synthetisierten die Forscher poröse Rutheniumoxidpartikel. Anschließend behandelten sie die Partikel, um rational regulierte Heterophasen zu erzeugen, was bedeutet, dass die Partikel unterschiedliche Architekturen enthalten, die ineinander integriert sind. Die poröse und heterophasige Struktur sorgt laut Li für die Defekte – im Wesentlichen Kerben in der Atomstruktur –, die es ermöglichen, dass mehr aktive Stellen für die Sauerstoffentwicklungsreaktion effizienter ablaufen.

„Dank der zahlreichen Defekte, Kristallgrenzen und der Zugänglichkeit des aktiven Zentrums der resultierenden Proben wurde eine überlegene Leistung der Sauerstoffentwicklungsreaktion demonstriert“, sagte Li und erklärte, dass die konstruierten Elektrokatalysatoren nicht nur eine bessere Sauerstoffentwicklungsreaktion erzeugen, sondern auch mit weniger Strom, der den Prozess antreibt. „Diese Studie zeigt die Bedeutung des Phasen-Engineerings und bietet einen neuen Weg für das Design und die Synthese von Strategie-Kombinationskatalysatoren.“

Weitere Mitwirkende sind Chengming Wang, Qinghong Geng, Longlong Fan, Jun-Xuan Li und Lian Ma, alle vom Key Laboratory of Cluster Science, Bildungsministerium, Beijing Key Laboratory of Photoelectronic/Electrophonic Conversion Materials, School of Chemistry and Chemical Engineering, Pekinger Institut für Technologie.

Das Analyse- und Testzentrum des Beijing Institute of Technology leistete technische Unterstützung für diese Forschung.

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