Um das Design und die Synthese von Elektrokatalysatoren in Richtung hocheffizienter Sauerstoffentwicklungsreaktionen (OER) zu lenken, haben Forscher der Beijing University of Chemical Technology vier gängige Strategien zur Verbesserung der OER-Leistung von geschichteten Doppelhydroxiden (LDHs) sowie zur Identifizierung aktiver Zentren für diese zusammengefasst LDHs.
Sie veröffentlichten ihre Arbeit am 7. September in Energiematerial Fortschritte.
„Mit der steigenden Nachfrage und dem steigenden Verbrauch fossiler Brennstoffe werden Energieknappheit und Umweltverschmutzung schwerwiegend und unübersehbar“, sagte der korrespondierende Autor Mingfei Shao, Professor am State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Peking. „Es ist notwendig, nachhaltige und erneuerbare Energien zu erforschen. Vor allem Wasserstoff ist eine neue Energie mit hervorragenden Anwendungsaussichten.“
Die Produktion von hochreinem Wasserstoff kann durch elektrochemische Wasserspaltung unter Verwendung des umgewandelten Stroms aus erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne erreicht werden. Aber als eine der Halbreaktionen ist OER laut Shao ein Vier-Elektronen-Prozess mit einer Energienutzung mit geringem Wirkungsgrad.
Shao und sein Team konzentrieren sich auf LDHs, ein großformatiges zweidimensionales Material. Die breite Einstellbarkeit, Molverhältnisse und Zwischenschichtanionen machen es zu einem hervorragenden Katalysator für OER in alkalischen Medien.
„Wir haben vier allgemeine Strategien zusammengefasst, die angewendet werden, um die OER-Leistung von LDHs zu verbessern. Durch diese Strategien kann das Überpotential von OER verringert werden, was zu einer hohen Effizienz der Energienutzung führt“, sagte Shao. „Einige Arbeiten zur Identifizierung aktiver Zentren für LDHs werden vorgestellt. Die Offenbarung des Reaktionsmechanismus und der aktiven Zentren liefert die theoretische Anleitung zum Design effizienter Elektrokatalysatoren.“
Die Entwicklung und Erforschung von OER-Katalysatoren befindet sich derzeit größtenteils im experimentellen Stadium, das den Anforderungen für einen großtechnischen praktischen Einsatz nicht genügen kann. Beispielsweise bleiben Probleme im Zusammenhang mit der Vergrößerung der Katalysatorgröße und dem Aufrechterhalten der Stabilität während der OER bestehen. Darüber hinaus sind die meisten berichteten Herstellungsverfahren von LDH-basierten Katalysatoren kompliziert und zeitaufwändig, was laut Shao zu hohen Kosten führt und ihre Anwendung einschränkt.
„Die Erkennung von reaktiven Sauerstoffspezies wie Sauerstoffspezies, die von aktiven Stellen auf der Oberfläche von Elektrokatalysatoren adsorbiert werden, und von Sauerstoffradikalen, die während der OER in der Lösung dispergiert werden, bleibt aufgrund der instabilen und unsichtbaren Existenz reaktiver Sauerstoffspezies immer noch unklar“, sagte Shao. „Nachdem diese reaktiven Sauerstoffspezies erkannt wurden, ist es immer noch entscheidend, wie man sie für effizientere OER nutzt.“
„Wir hoffen, dass diese Übersicht Ideen zur weiteren Identifizierung der aktiven Zentren für LDHs liefern kann, um eine Anleitung für die Entwicklung fortschrittlicherer Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Wasserspaltung zu geben“, sagte Shao.
Xin Wan et al, Geschichtete Doppelhydroxide für die Sauerstoffentwicklungsreaktion zur effizienten Wasserstofferzeugung, Energiematerial Fortschritte (2022). DOI: 10.34133/2022/9842610
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