Die Wasserelektrolyse ist ein vielversprechender Ansatz zur Erzeugung von Wasserstoff durch die Umwandlung von elektrischer Energie aus nachhaltiger Energie in chemische Energie, die in Wasserstoffbrückenbindungen gespeichert ist.
Aufgrund der niedrigeren Betriebstemperatur, der höheren Spannungseffizienz, der höheren Stromdichten und der besseren Kompatibilität im Vergleich zu herkömmlichen alkalischen Elektrolyseuren hat sich der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseur (PEMWE) als vielversprechende Technologie für die Erzeugung von grünem Wasserstoff herausgestellt.
Allerdings erfordert die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) mit langsamer Reaktionskinetik meist einen übermäßigen Energieverbrauch, was die Effizienz von PEMWE deutlich einschränkt. Derzeit gilt Iridiumoxid (IrO2), das stark oxidativen und korrosiven Bedingungen ausgesetzt sein kann, als modernster Anodenkatalysator für PEMWE. Die hohen Kosten, die mit einer geringen Massenaktivität einhergehen, erschweren jedoch eine Scale-up-Nutzung strikt.
Daher ist die Entwicklung und Erforschung kostengünstiger Katalysatoren mit hoher elektrokatalytischer Leistung und Stabilität gegenüber saurer OER von großer Dringlichkeit, bleibt aber dennoch eine Herausforderung.
Aufgrund seiner hohen intrinsischen Aktivität und seines niedrigen Preises gilt Rutheniumoxid (RuO2) in letzter Zeit als vielversprechende Alternative zu IrO2 für saure OER.
Es ist bekannt, dass die Erhöhung des anfänglichen Oxidationszustands von Ru in RuO2 zur Förderung einer aktiven Ru-zentrierten Oxidation eine wirksame Strategie zur Verbesserung der elektrokatalytischen Leistung ist. Zu diesem Zweck wurden große Anstrengungen unternommen, um Fremdelemente zu dotieren, um den Valenzzustand von Ru in Katalysatoren auf RuO2-Basis anzupassen, was zu einer deutlich erhöhten Aktivität führt.
Die leichte Überoxidation von Ru-Zentren unter Bildung löslicher RuO42-Spezies bei hohem Potential während des OER-Prozesses führt jedoch normalerweise zum Zusammenbruch der Kristallstruktur und zur Auflösung von Ru-Spezies, was der eigentliche Grund für die unbefriedigende Langzeitstabilität von RuO2 ist für saure OER.
Daher ist die Entwicklung einer effizienten Strategie zum Ausgleich der schwankenden Beziehung zwischen Stabilität und Aktivität von RuO2-basierten Katalysatoren für die praktische Anwendung von PEMWE von entscheidender Bedeutung, aber dennoch anspruchsvoll.
Kürzlich entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Wei Luo von der Universität Wuhan, China, einen modifizierten RuO2-Katalysator mit Wismut (Bi)-Dotierung (Bi0,15Ru0,85O2), um gleichzeitig die Aktivität und Stabilität gegenüber saurer OER zu erhöhen. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Ru-L2,3-Kanten-Röntgenabsorptions-Nahkantenstrukturspektren (XANES) zeigen den erhöhten anfänglichen Oxidationszustand von Ru in Bi0,15Ru0,85O2 nach Bi-Dotierung.
Die angegebenen elektrochemischen Experimente, Ultraviolett-Photoemissionsspektroskopie (UPS) und Ultraviolett-Vis-Spektroskopie (UV)-Spektrencharakterisierungen zeigen einen viel schnelleren Elektronentransfer und eine bessere elektrische Leitfähigkeit in Bi0,15Ru0,85O2.
Scheinbare Aktivierungsenergietests und Berechnungsergebnisse der Dichtefunktionaltheorie (DFT) legen nahe, dass die Einführung von Bi sowohl die scheinbare Aktivierungsenergie als auch die Energiebarriere des geschwindigkeitsbestimmenden Schritts von O* zu OOH* wirksam reduzieren kann, was zu einer deutlich erhöhten Aktivität führt. mit einer geringen Überspannung von 200,0 mV bei 10 mA cm-2, sowie Langzeitstabilität über 100 Stunden.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Chinesisches Journal für Katalyse.
Mehr Informationen:
Liqing Wu et al, Ein Bi-dotierter RuO2-Katalysator für eine effiziente und dauerhafte saure Wasseroxidation, Chinesisches Journal für Katalyse (2023). DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64554-1