Исследовательская группа POSTECH под руководством профессора Чон Гю Кима и доктора философии.D. кандидат Джерим Ким с факультета материаловедения и инженерии и группа под руководством профессора Чон У Хана и доктора философии.D. Кандидат Хёнджунг Юнг из отдела химического машиностроения совместно разработали высокоэффективную каталитическую систему на основе никеля, допированную оксофильными атомами переходного металла, и определили корреляцию между каталитическими адсорбционными свойствами и кинетикой реакции выделения водорода (HER) в щелочной среде. Признанные за их значимость, эти результаты исследований были представлены на обложке журнала Американского химического общества.
Топливный элемент – это экологически чистое устройство для выработки энергии, которое вырабатывает электричество в результате химической реакции, в которой кислород (O2) и водород (H2) производят воду (H2O). Во время этого процесса электролизное восстановление воды происходит как противодействующая реакция, при которой вода диссоциирует с образованием водородного топлива. Известно, что это наиболее экологически безопасный и устойчивый способ производства высокочистого водородного топлива в больших количествах. Однако у него есть обратная сторона – дороговизна и неэффективность, поскольку для этого требуются драгоценные металлы в качестве электродов.
Чтобы снизить удельную стоимость водородного топлива, получаемого с помощью электролиза воды, крайне важно разработать высокоактивный, стабильный и недорогой электрохимический катализатор, способный максимизировать производительность производства водорода.
Для этого совместная исследовательская группа разработала высокоэффективный катализатор, объединив никель с большим содержанием земли с рядом оксофильных элементов переходных металлов для оптимизации адсорбционной способности в щелочной среде HER. Команда также продемонстрировала, что включение оксофильных легирующих добавок может эффективно контролировать адсорбционные свойства поверхности катализаторов на основе никеля.
Чтобы еще больше повысить активность HER катализаторов на основе никеля, исследователи представили уникальный трехмерный (3D) массив наноспиралей (NH), легко изготовленный методом соосаждения под косым углом, для большого количества активных центров на поверхности и эффективных путей. для переноса заряда, и открытые каналы для массового транспорта.
Они успешно изготовили высокоактивный и стабильный Ni-NHs-катализатор с включенным хромом, демонстрирующий превосходную эффективность производства водорода при снижении перенапряжения более чем в четыре раза по сравнению с традиционными тонкопленочными катализаторами на основе никеля.
«Это исследование важно тем, что обеспечивает научную основу для высокой эффективности и коммерциализации устойчивой системы преобразования водородной энергии», – пояснил профессор Чон Кю Ким, автор статьи. «Основные концепции стратегии проектирования и экспериментальной методологии эффективных биметаллических электрокатализаторов могут быть применены не только к водным электролизерам, но и к топливным элементам, восстановлению диоксида углерода и фотоэлектрохимическим системам.
Ожидается, что обеспечение этой оригинальной технологии окажет значительное влияние на развитие технологий в секторе экологической энергетики."
Профессор Чон Ву Хан, соавтор статьи, добавил: «Вычислительная химия резко ускорила реакцию электролиза воды, быстро обнаружив биметаллы, которые могут контролировать адсорбционную силу катализатора, что позволяет изготавливать биметаллические электрокатализаторы с использованием только неблагородных материалов."