Specjalnie zaprojektowane nanostruktury irydu osadzone na mezoporowatym tlenku tantalu zwiększają przewodność, aktywność katalityczną i długoterminową stabilność.
Zdjęcie: Naukowcy z Korei Południowej i USA opracowali nowy katalizator irydowy o zwiększonej aktywności reakcji wydzielania tlenu, który ma umożliwić ekonomiczną elektrolizę wody z membraną wymiany protonów w celu produkcji wodoru. dowiedz się więcej
Światowe zapotrzebowanie na energię stale rośnie. Transportowa energia wodorowa jest niezwykle obiecująca w naszych poszukiwaniach czystych i zrównoważonych rozwiązań energetycznych. W tym kontekście elektrolizery wody z membraną do wymiany protonów (PEMWE), które przekształcają nadmiar energii elektrycznej w transportowalną energię wodorową poprzez elektrolizę wody, cieszą się dużym zainteresowaniem. Jednak ich szerokie zastosowanie w produkcji wodoru pozostaje ograniczone ze względu na powolne tempo reakcji wydzielania tlenu (OER), będącej ważnym elementem elektrolizy, oraz wysokie obciążenie elektrod drogimi katalizatorami tlenkowymi, takimi jak tlenek irydu (Ir) i rutenu. Dlatego też, opracowanie ekonomicznych i wysokowydajnych katalizatorów OER jest niezbędne do powszechnego zastosowania PEMWE.

Niedawno koreańsko-amerykański zespół badawczy pod kierownictwem profesora Changho Parka z Instytutu Nauki i Technologii Gwangju w Korei Południowej opracował nowy katalizator irydowy o nanostrukturze na bazie mezoporowatego tlenku tantalu (Ta2O5) za pomocą ulepszonej metody redukcji kwasem mrówkowym, co pozwoliło na wydajną elektrolizę wody PEM. Ich badania zostały opublikowane online 20 maja 2023 r. i ukażą się w tomie 575 czasopisma „Journal of Power Sources” 15 sierpnia 2023 r. Współautorem badania był dr Chaekyong Baik, badacz z Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii (KIST).
„Bogata w elektrony nanostruktura Ir jest równomiernie rozproszona na stabilnym, mezoporowatym podłożu Ta2O5, przygotowanym metodą miękkiego szablonu w połączeniu z procesem otoczenia etylenodiaminą, co skutecznie redukuje zawartość Ir w pojedynczej baterii PEMWE do 0,3 mg cm-2” – wyjaśnił profesor Park. Należy zauważyć, że innowacyjna konstrukcja katalizatora Ir/Ta2O5 nie tylko poprawia wykorzystanie Ir, ale także charakteryzuje się wyższą przewodnością i większą powierzchnią aktywną elektrochemicznie.
Ponadto, rentgenowska spektroskopia fotoelektronowa i absorpcyjna rentgenowska ujawniają silne oddziaływania metal-nośnik między Ir i Ta, podczas gdy obliczenia oparte na teorii funkcjonału gęstości wskazują na transfer ładunku z Ta do Ir, co powoduje silne wiązanie adsorbatów, takich jak O i OH, i utrzymuje stosunek Ir(III) podczas procesu utleniania OOP. To z kolei prowadzi do wzrostu aktywności Ir/Ta2O5, który charakteryzuje się niższym przepięciem, wynoszącym 0,385 V, w porównaniu z 0,48 V dla IrO2.
Zespół eksperymentalnie wykazał również wysoką aktywność OER katalizatora, obserwując przepięcie 288 ± 3,9 mV przy 10 mA cm-2 i znacząco wysoką aktywność masową Ir wynoszącą 876,1 ± 125,1 A g-1 przy 1,55 V, co odpowiada wartości dla pana Blacka. W rzeczywistości Ir/Ta2O5 wykazuje doskonałą aktywność OER i stabilność, co zostało dodatkowo potwierdzone ponad 120 godzinami pracy pojedynczej celi zespołu membrana-elektroda.
Proponowana metoda ma podwójną zaletę: obniża poziom obciążenia Ir i zwiększa wydajność OER. „Zwiększona wydajność OER uzupełnia efektywność kosztową procesu PEMWE, poprawiając tym samym jego ogólną wydajność. To osiągnięcie może zrewolucjonizować komercjalizację PEMWE i przyspieszyć jego wdrożenie jako powszechnej metody produkcji wodoru” – sugeruje optymistycznie nastawiony profesor Park.

Ogólnie rzecz biorąc, rozwój ten przybliża nas do osiągnięcia zrównoważonych rozwiązań w zakresie transportu energii wodorowej, a tym samym do osiągnięcia neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla.
O Instytucie Nauki i Technologii w Gwangju (GIST) Instytut Nauki i Technologii w Gwangju (GIST) to uniwersytet badawczy z siedzibą w Gwangju w Korei Południowej. GIST został założony w 1993 roku i stał się jedną z najbardziej prestiżowych uczelni w Korei Południowej. Uczelnia dąży do stworzenia silnego środowiska badawczego, które promuje rozwój nauki i technologii oraz współpracę między międzynarodowymi i krajowymi projektami badawczymi. Kierując się mottem „Dumny twórca nauki i technologii przyszłości”, GIST konsekwentnie plasuje się w czołówce rankingów uniwersytetów w Korei Południowej.
O autorach: Dr Changho Park jest profesorem w Instytucie Nauki i Technologii w Gwangju (GIST) od sierpnia 2016 roku. Przed dołączeniem do GIST pełnił funkcję wiceprezesa Samsung SDI i uzyskał tytuł magistra w Samsung Electronics SAIT. Uzyskał tytuły licencjata, magistra i doktora na Wydziale Chemii Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii odpowiednio w latach 1990, 1992 i 1995. Jego obecne badania koncentrują się na rozwoju materiałów katalitycznych do zespołów elektrod membranowych w ogniwach paliwowych oraz elektrolizie z wykorzystaniem nanostrukturyzowanego węgla i mieszanych tlenków metali. Opublikował 126 prac naukowych i uzyskał 227 patentów w swojej dziedzinie.
Dr Chaekyong Baik jest badaczem w Koreańskim Instytucie Nauki i Technologii (KIST). Zajmuje się rozwojem katalizatorów PEMWE OER i MEA, koncentrując się obecnie na katalizatorach i urządzeniach do reakcji utleniania amoniaku. Przed dołączeniem do KIST w 2023 roku, Chaekyung Baik uzyskał doktorat z integracji energetycznej na Instytucie Nauki i Technologii w Gwangju.
Mezoporowata nanostruktura irydu wspomagana przez bogaty w elektrony Ta2O5 może zwiększyć aktywność i stabilność reakcji wydzielania tlenu.
Autorzy oświadczają, że nie mają żadnych znanych im konkurencyjnych interesów finansowych ani powiązań osobistych, które mogłyby mieć wpływ na pracę przedstawioną w niniejszym artykule.
Zastrzeżenie: AAAS i EurekAlert! nie ponoszą odpowiedzialności za dokładność komunikatów prasowych publikowanych w serwisie EurekAlert!. Wszelkie wykorzystanie informacji przez organizację uczestniczącą lub za pośrednictwem systemu EurekAlert!

Jeśli chcesz uzyskać więcej informacji, napisz do mnie e-mail.
E-mail:
info@pulisichem.cn
Tel.:
+86-533-3149598