von KeAi Communications Co.
Die strombetriebene Wasserelektrolyse hat als umweltfreundliche Methode zur Wasserstoffproduktion große Aufmerksamkeit erregt, da hochreiner Wasserstoff für die Bewältigung der Energiekrise von entscheidender Bedeutung ist. Dennoch erfordern die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) bei der Wasserelektrolyse normalerweise Edelmetalle als Elektrokatalysatoren. Diese Einschränkung hat Forscher dazu veranlasst, sich auf die Entwicklung wirksamer Katalysatoren aus Nichtedelmetallen zu konzentrieren, um sowohl die Effizienz als auch die Kosteneffizienz der Wasserelektrolyse zu verbessern.
Kohlenstoffnitrid (g-C3N4) wurde aufgrund seiner einstellbaren Halbleitereigenschaften umfassend untersucht. Seine begrenzte Ladungsmobilität und geringe spezifische Oberfläche führen jedoch zu schlechten katalytischen Aktivitäten für HER und OER. In einer Studie veröffentlicht im Journal Fortschrittliche PulvermaterialienEin Forscherteam der Xi’an University of Architecture and Technology in China entwickelte unter Einsatz gezielter Dotierung und einer Strategie der Grenzflächenkopplung zwei aktive Schottky-Elektrokatalysatoren (B–C3N4@Fe3C und S–C3N4@Fe3C).
„Zuerst wurde eine Strategie vorgeschlagen, bei der auf rationale Weise eingebaute elektrische Felder und Raumladungsbereiche konstruiert werden, um die Redoxreaktionskinetik an hohlen g-C3N4-Nanoröhren zu verbessern“, sagte der leitende Korrespondent der Studie, Sining Yun.
Die Bemühungen des Teams bestätigten, dass intern gestützte hohle g-C3N4-Nanoröhren über zahlreiche aktive Bereiche verfügen, die einen schnellen Protonen- und Massentransfer ermöglichen.
„Durch gezielte Dotierung mit B und S wurden die Halbleitereigenschaften von g-C3N4 präzise moduliert, was zur Bildung typischer n-Typ- und p-Typ-Bandstrukturen führte“, fuhr Yun fort. „Diese Modulation bot eine hervorragende Plattform für die Konstruktion oberflächenfunktionalisierter B-C3N4@Fe3C- und S-C3N4@Fe3C-Schottky-Übergangskatalysatoren.“
Die Ergebnisse zeigten, dass die Kopplung von Fe3C und g-C3N4 das Energieniveau von g-C3N4 optimiert und die Ladungsverteilung an der Grenzfläche von g-C3N4@Fe3C verändert, wodurch OH- und H+ an der Fest-Flüssig-Reaktionsgrenzfläche angereichert werden. Insbesondere zeigten die Katalysatoren B-C3N4@Fe3C und S-C3N4@Fe3C eine stabile HER-Aktivität und eine hohe Selektivität für die OER im alkalischen Medium.
„Das B-C3N4@Fe3C||S-C3N4@Fe3C-Paar benötigt nur eine niedrige Spannung von 1,52 V, um eine effiziente Wasserelektrolyse bei 10 mA cm-2 zu erreichen, was ihre hervorragende elektrokatalytische Aktivität und vielversprechende Stabilität unter langfristigen alkalischen Wasserspaltungsbedingungen unterstreicht“, sagte Guangping Yang, Erstautor der Studie.
Weitere Informationen:
Guangping Yang et al., Gezielte Dotierung induziert Grenzflächenorientierung für den Aufbau oberflächenfunktionalisierter Schottky-Übergänge zur Koordination von Redoxreaktionen bei der Wasserelektrolyse, Fortschrittliche Pulvermaterialien (2024). DOI: 10.1016/j.apmate.2024.100224
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