Wissenschaftler produzieren robuste Katalysatoren, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten

Anonim

Die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zur Erzeugung sauberer Energie kann mit einem einzigen Katalysator vereinfacht werden, der von Wissenschaftlern der Rice University und der University of Houston entwickelt wurde.

Der bei Rice hergestellte und in Houston getestete Elektrolytfilm ist eine dreischichtige Struktur aus Nickel, Graphen und einer Verbindung aus Eisen, Mangan und Phosphor. Das schaumige Nickel verleiht dem Film eine große Oberfläche, das leitfähige Graphen schützt das Nickel vor dem Abbau und das Metallphosphid führt die Reaktion aus.

Das robuste Material ist Thema einer Arbeit von Nano Energy .

Der Reischemiker Kenton Whitmire und Houstons Elektro- und Computeringenieur Jiming Bao und ihre Labors entwickelten den Film, um Barrieren zu überwinden, die einen Katalysator normalerweise dazu bringen, entweder Sauerstoff oder Wasserstoff zu produzieren, aber nicht beides gleichzeitig.

"Regelmäßige Metalle oxidieren manchmal während der Katalyse", sagte Whitmire. "Normalerweise wird eine Wasserstoffentwicklungsreaktion in Säure durchgeführt und eine Sauerstoffentwicklungsreaktion wird in der Base durchgeführt. Wir haben ein Material, das stabil ist, ob es in einer sauren oder basischen Lösung vorliegt."

Die Entdeckung baut auf der Schaffung eines einfachen Sauerstoffentwicklungskatalysators auf, der Anfang des Jahres vorgestellt wurde. In dieser Arbeit baute das Team einen Katalysator direkt auf einem Halbleiter-Nanorod-Array, das Sonnenlicht in Energie für die Spaltung von solarem Wasser verwandelte.

Elektrokatalyse erfordert zwei Katalysatoren, eine Kathode und eine Anode. Wenn es in Wasser gegeben und geladen wird, bildet sich Wasserstoff an einer Elektrode und Sauerstoff an der anderen, und diese Gase werden eingefangen. Das Verfahren erfordert jedoch im Allgemeinen, dass teure Metalle genauso effizient arbeiten wie der Katalysator des Rice-Teams.

"Der Standard für die Wasserstoffentwicklung ist Platin", sagte Whitmire. "Wir verwenden Materialien, die reich an Erde sind - Eisen, Mangan und Phosphor - im Gegensatz zu Edelmetallen, die viel teurer sind."

Der neue Katalysator benötigt auch weniger Energie, sagte Whitmire. "Wenn Sie Wasserstoff und Sauerstoff produzieren wollen, müssen Sie Energie einsetzen, und je mehr Sie einsetzen, desto weniger wirtschaftlich ist es möglich", sagte er. "Sie möchten es mit der geringstmöglichen Menge an Energie tun. Das ist ein Vorteil unseres Materials: Das Überpotential (die Menge an Energie, die benötigt wird, um die Elektrokatalyse auszulösen) ist klein und ziemlich konkurrenzfähig mit anderen Materialien. Je niedriger Sie es bekommen können, je näher Sie daran sind, die Wasserspaltung so effizient wie möglich zu gestalten. "

Graphen, die atomreiche Form von Kohlenstoff, ist der Schlüssel zum Schutz des darunter liegenden Nickels. Ein bis drei Schichten Graphen werden auf dem Nickelschaum in einem chemischen Dampfabscheidungs ​​(CVD) Ofen gebildet, und das Eisen, Mangan und Phosphor werden darüber hinaus ebenfalls durch CVD und von einem einzelnen Vorläufer hinzugefügt.

Tests von Baos Labor verglichen Nickelschaum und das Phosphid sowohl mit als auch ohne Graphen in der Mitte und fanden heraus, dass das leitfähige Graphen die Ladungstransferbeständigkeit sowohl für Wasserstoff- als auch für Sauerstoffreaktionen verringerte.

"Nickel ist einer der besten Katalysatoren für die Herstellung von Graphen", sagte Co-Lead-Autor Desmond Schipper, ein Reiseschüler. "Im Wesentlichen verwenden wir Nickel, um das Nickel zu verbessern." Er sagte, dass das Mangan auch ein gewisses Maß an Schutz bietet.

Whitmire sagte, das Material sei skalierbar und sollte in Industrien eingesetzt werden, die Wasserstoff und Sauerstoff produzieren, oder in solar- und windbetriebenen Anlagen, die Elektrokatalyse nutzen können, um Nebenenergie zu speichern.

Es kann auch angepasst werden, um andere fortschrittliche Materialien herzustellen. "Unsere Methode könnte auf eine große Anzahl von Metallphosphidmaterialien für Katalysatoren anwendbar sein - nicht nur für die Wasserspaltung, sondern für eine Reihe von Dingen", sagte er.

"Ein kritischer Faktor ist, dass wir phasenreine Materialien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen herstellen können. Derzeit haben die Menschen sehr wenig Kontrolle über die Phase, die sie auf einer Oberfläche bekommen, und in vielen Fällen bekommen sie eine Mischung. Wenn das passiert, dann haben sie weiß nicht, welche Phase tatsächlich für die Katalyse verantwortlich ist. Mit unserem Prozess können sie es wissen. "

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