Langlebiger, kostengünstiger Elektrokatalysator erzeugt sauberen Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser

Ein neuer Elektrokatalysator aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Silizium (Si), der die für die Synthese von H2 aus Wasser erforderliche Energiemenge verringert, wurde auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt und erhöht die Praktikabilität von H2 als saubere und erneuerbare Energie der Zukunft.

Wasserstoff ist ein leicht brennbares Gas, das der Welt dabei helfen kann, ihre Ziele für saubere Energie zu erreichen, wenn es auf umweltfreundliche Weise hergestellt wird. Die größte Hürde bei der Herstellung von Wasserstoffgas aus Wasser ist die große Energiemenge, die für die Elektrolyse von Wasser oder die Aufspaltung von Wassermolekülen in Wasserstoffgas (H2) und Sauerstoff (O2) erforderlich ist.

Der größte Teil des heute produzierten H2 wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, was zur globalen Erwärmung beiträgt. Die Herstellung von H2 aus Wasser durch die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) erfordert die Verwendung eines Katalysators oder eines Mittels, das die für eine chemische Reaktion erforderliche Energiemenge senkt. Bis vor Kurzem bestanden diese Katalysatoren aus seltenen Erdmetallen wie Platin, was die Kosteneffizienz und Praktikabilität der Produktion von sauberem Wasserstoff beeinträchtigte.

Eine Gruppe von Materialwissenschaftlern der Dalian University of Technology in Dalian, China, stellte einen Elektrokatalysator oder einen Katalysator her, der Elektrizität nutzt und dabei kostengünstige Materialien und Methoden nutzte, um den Energiebedarf zur Erzeugung von sauberem H2 aus Wasser effektiv zu senken. Wichtig ist, dass die Legierung oder Mischung aus Eisen-Nickel-Silizid (FeNiSi) auch den Energiebedarf zur Erzeugung von O2 aus Wasser reduziert, wodurch der Katalysator bifunktional wird.

Die Forscher veröffentlichten ihr Studium In Nanoforschungsenergie.

„Was die Entwicklung und praktische Anwendung der Wasserelektrolysetechnologie wirklich einschränkt, sind elektrokatalytische Materialien. Derzeit sind gängige Katalysatoren wie Edelmetalle … meist Einzelfunktionskatalysatoren, was die praktische Anwendung der Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion einschränkt. Daher ist die „Die Forschung und Entwicklung effizienter, stabiler, kostengünstiger und umweltfreundlicher bifunktioneller elektrokatalytischer Materialien ist ein vorrangiges Ziel auf dem Gebiet der Elektrokatalyse“, sagte Yifu Zhang, leitender Autor der Studie und Forscher an der Fakultät für Chemie der Technischen Universität Dalian.

Übergangsmetallsilizidlegierungen sind einzigartige Verbindungen, die häufig in energiebezogenen Bereichen verwendet werden, kostengünstig hergestellt werden und als potenzielle Elektrokatalysatoren für die Wasserhydrolyse vielversprechend sind. Diese Legierungen werden aus Übergangsmetallen hergestellt, die ausgezeichnete Katalysatoren sind, die bei chemischen Reaktionen frei Elektronen abgeben und aufnehmen, und aus Si-Atomen, die die Stabilität, Hitzebeständigkeit und Zugänglichkeit der Übergangsmetallatome der Legierung bei Anwendung von Elektrizität verbessern.

Fe und Ni, zwei Übergangsmetalle, eignen sich gut für die Verwendung in einem Übergangsmetallsilizid zur Wasserspaltung. „Nickelsilizid wurde … eingehend auf seinen geringen Widerstand und seine hohe Metallaktivität untersucht, insbesondere … in elektrochemischen Bereichen. Darüber hinaus haben viele neuere Studien gezeigt, dass Materialien auf Fe-Ni-Basis ein erhebliches Potenzial im Bereich der elektrochemischen Wasserspaltung haben. Das Ziel „Ein Schwerpunkt dieser Arbeit bestand darin, einen kostengünstigen, umweltfreundlichen Weg zur Herstellung von Eisen-Nickel-Silizid als bifunktionellen Elektrolytwasserkatalysator (EWS) zu entwickeln“, sagte Zhang.

Das Forschungsteam stellte FeNiSi in zwei Schritten her. Zunächst wurde natürlicher Ton-Magadiit, eine Quelle für Silizium, Eisenchlorid und Nickelchlorid, unter Druck erhitzt, um ein Eisen-Nickel-Silikat zu erzeugen. Das Eisen-Nickel-Silikat wurde dann mit Magnesium und Natriumchlorid (Speisesalz) kombiniert und erhitzt, um die geordnete Struktur der FeNiSi-Legierung zu entwickeln. Wichtig ist, dass dies das erste Mal war, dass eine Metallsilizidlegierung mithilfe dieser Art chemischer Reaktion unter Verwendung von Metallsilikaten als Reaktionsmaterial hergestellt wurde.

Elektronenmikroskopische und Röntgencharakterisierungstechniken zeigten, dass der Herstellungsprozess viele Porenstrukturen in der endgültigen FeNiSi-Legierung erzeugte, wodurch sich deren Oberfläche und die gesamte elektrokatalytische Leistung vergrößerten. Die FeNiSi-Legierung senkt das zur Spaltung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser erforderliche Potential um 308 mV für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) bzw. 386 mV für die HER bei einem Strom von 10 mA·cm−2. Auch nach 15 Stunden Einsatz zeigte der Elektrokatalysator eine ausreichende Haltbarkeit.

Das Forschungsteam freut sich darauf, dass FeNiSi und andere Übergangsmetallsilikate zur Synthese von sauberem Wasserstoffgas für den zukünftigen Energiebedarf beitragen werden.

„Diese Arbeit bietet nicht nur eine einfache Methode für die Synthese von intermetallischem Silizid mit beträchtlichen porösen Strukturen, sondern ermöglicht auch die Betrachtung des intermetallischen Silizids als bifunktionaler Elektrokatalysator für EWS. Kostengünstige und effiziente intermetallische Silizid-Elektrokatalysatoren werden neue Möglichkeiten für … erneuerbare Energien bieten.“ Energieumwandlung“, sagte Zhang.

Weitere Mitwirkende sind Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao und Xueying Dong von der School of Chemistry der Dalian University of Technology in Dalian, China; Changgong Meng von der School of Chemistry und dem College of Environmental and Chemical Engineering der Technischen Universität Dalian; und Chi Huang vom College of Chemistry and Molecular Sciences der Wuhan University in Wuhan, China.