UT El Paso

Forscher unter der Leitung von Ingenieuren der University of Texas at El Paso (UTEP) haben ein kostengünstiges, von Kakteen inspiriertes Material auf Nickelbasis vorgeschlagen, das dazu beitragen soll, Wasser kostengünstiger und effizienter zu spalten. Das Material wird in einem Artikel in der Zeitschrift ACS Applied Materials & Interfaces beschrieben.

Aktuelle Elektrolysetechniken zur Wasserspaltung basieren stark auf Platin als Katalysator, der sehr teuer ist und aufgrund seines Preises einfach nicht in großem Maßstab eingesetzt werden kann, sagte Ramana Chintalapalle, Ph.D., Professorin für Maschinenbau an der UTEP, die die Studie leitete .

Der Hauptautor Navid Attarzadeh bemerkte den Feigenkaktus zum ersten Mal, als er zum Labor des Center for Advanced Materials Research des UTEP ging. Das Team hatte Nickel als katalytischen Ersatz für Platin untersucht, ein Metall, das auf der Erde reichlich vorhanden und 1.000-mal billiger als Platin ist. Nickel ist jedoch nicht so schnell und effektiv bei der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff.

Jeden Tag kam ich an derselben Pflanze vorbei. Und ich begann, es mit unserem Katalysatorproblem in Verbindung zu bringen. Was meine Aufmerksamkeit erregte, war, wie groß die Blätter und Früchte im Vergleich zu anderen Wüstenpflanzen waren; Der Feigenkaktus hat eine außergewöhnliche Oberfläche.

Attarzadeh fragte sich, was wäre, wenn sie einen 3D-Katalysator auf Nickelbasis in Form eines Feigenkaktus entwerfen würden? Die größere Oberfläche könnte mehr elektrochemische Reaktionen ermöglichen und mehr Wasserstoff erzeugen, als Nickel normalerweise kann.

Das Team synthetisierte mithilfe eines Phosphosulfidierungsprozesses eine 3D-Nanoarchitektur aus ausgerichtetem Ni5P4-Ni2P/NiS (Platte/Nanoblätter).

Die Haltbarkeit und das einzigartige Design von Feigenkakteen in Wüstenumgebungen durch die Adsorption von Feuchtigkeit über ihre ausgedehnte Oberfläche und die Fähigkeit, Früchte an den Rändern der Blätter zu tragen, inspirieren diese Studie dazu, eine ähnliche 3D-Architektur zu übernehmen und sie zum Entwurf eines effizienten Heterostrukturkatalysators für HER-Aktivität zu nutzen .

Der Katalysator besteht aus zwei Kompartimenten der vertikal ausgerichteten Ni5P4-Ni2P-Platten und den NiS-Nanoblättern, die der Rolle von Blättern und Früchten im Feigenkaktus ähneln. Die Ni5P4-Ni2P-Platten liefern Ladungen an die Grenzflächenbereiche, und die NiS-Nanoblätter beeinflussen Had- und Transferelektronen für die HER-Aktivität erheblich. Tatsächlich kann das synergistische Vorhandensein von Heterogrenzflächen und epitaktischen NiS-Nanoblättern die katalytische Aktivität im Vergleich zu Nickelphosphidkatalysatoren erheblich verbessern.

Bemerkenswert ist, dass das anfängliche Überpotential der am besten modifizierten ternären Katalysatoren (35 mV) die Hälfte des Potentials aufweist, das für Nickelphosphid-Katalysatoren erforderlich ist. Dieser vielversprechende Katalysator weist Überspannungen von 70 und 115 mV auf, um Stromdichten von 10 bzw. 100 mA cm–2 zu erreichen. Die erhaltene Tafel-Steigung beträgt 50 mV dec–1 und die gemessene Doppelschichtkapazität aus zyklischer Voltammetrie (CV) für den besten ternären Elektrokatalysator beträgt 13,12 mF cm–2, dreimal mehr als beim Nickelphosphid-Elektrokatalysator.

Darüber hinaus zeigt die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) bei den kathodischen Potentialen, dass der niedrigste Ladungsübertragungswiderstand mit dem besten ternären Elektrokatalysator zusammenhängt und zwischen 430 und 1,75 Ω cm–2 liegt. Diese Verbesserung ist auf die Beschleunigung der Elektronenaustauschfähigkeit an den Grenzflächen zurückzuführen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die epitaktischen NiS-Nanoblätter die aktive katalytische Oberfläche vergrößern und gleichzeitig die intrinsische katalytische Aktivität durch die Einführung von Heterogrenzflächen erhöhen, was dazu führt, dass mehr Had an den Grenzflächen untergebracht wird.

Das Forschungsprojekt wurde durch einen Zuschuss aus dem Programm „Partnerships for Research and Education in Materials“ (PREM) der National Science Foundation unterstützt.

Ressourcen

Navid Attarzadeh, Debabrata Das, Srija N. Chintalapalle, Susheng Tan, V. Shutthanandan und CV Ramana (2023) „Nature-Inspired Design of Nano-Architecture-Aligned Ni5P4-Ni2P/NiS Arrays for Enhanced Electrocatalytic Activity of Hydrogen Evolution Reaction“ HER)“ ACS Applied Materials & Interfaces 15 (18), 22036-22050 doi: 10.1021/acsami.3c00781

Gepostet am 16. Mai 2023 in Katalysatoren, Wasserstoff, Wasserstoffproduktion, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (0)