Forscher des Exzellenzzentrums für NaNO-Energie- und Katalysetechnologie (CONNECT) der Universität Xiamen in Malaysia haben entdeckt, dass ein edelmetallfreier Elektrokatalysator die Effizienz der Wasserstofferzeugung aus Wasser verbessert. Sie haben erfolgreich einen hocheffizienten Wasserelektrokatalysator namens WS₂/N-rGO/CC entwickelt. Dieser fortschrittliche Elektrokatalysator zeigt während der Elektrolyse eine bemerkenswerte Leistung in der Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER). Die Elektrode senkt die Kosten und maximiert die Wasserstofferzeugungseffizienz ohne teure Katalysatoren oder Additive. Diese Entdeckung trägt zur Verbesserung der elektrochemischen Aktivität bei und wird einen wichtigen Beitrag zu den nationalen Initiativen Malaysias leisten.
Forscher des Exzellenzzentrums für NaNO-Energie- und Katalysetechnologie (CONNECT) der Universität Xiamen in Malaysia haben einen langlebigen und effizienten Wasserelektrokatalysator entwickelt . Dieser besteht aus Wolframdisulfid (WS₂) , einem zweidimensionalen Material mit Halbleitereigenschaften. Im Elektrolyseprozess fungiert WS₂ als Elektronenakzeptor oder -donator.
Ein hochentwickelter Elektrokatalysator, bekannt als WS₂/N-rGO/CC , wird präzise auf einem Kohlenstoffgewebe (CC) hergestellt. Dieses Material vereint die außergewöhnlichen Eigenschaften von reduziertem Graphenoxid (rGO) mit der Einbringung einer geringen Menge Stickstoff (N). Dadurch entsteht ein transformiertes, reduziertes Graphenoxid-Halbleitermaterial, das einen zweidimensionalen Gitterhalbleiter bildet.
Die Verbrennung von Wasserstoffgas als Brennstoff verursacht keine globale Erwärmung. Der Großteil des heutigen Wasserstoffgases wird jedoch aus fossilen Brennstoffen gewonnen, die Treibhausgase freisetzen. Um künftig CO2-Neutralität zu erreichen, ist es wichtig, Wasserstoff aus sauberen Quellen wie der Spaltung von Wassermolekülen mit Strom zu erzeugen. Die derzeitigen Methoden sind jedoch ineffizient und schränken den praktischen Einsatz wasserstoffbasierter Technologien ein.
Ein verbesserter Elektrokatalysator steigert die Effizienz der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse. Dies wird durch eine erhöhte elektrochemische Aktivität, eine größere Reaktionsoberfläche und eine verbesserte Stabilität erreicht.
Durch eine hydrothermale Reaktion lässt sich die Struktur von zweidimensionalem WS₂ in Nanoblumen umwandeln, dreidimensionale, blütenartige Gebilde. Diese Nanoblumen weisen bemerkenswerte Eigenschaften auf, darunter eine vergrößerte Oberfläche für den Elektrokatalysator. Dadurch wird die Reaktionseffizienz signifikant gesteigert, was zu herausragenden Verbesserungen der Gesamtleistung führt.
Der Hauptautor der Studie, Feng Ming Yap , erklärte: „Die Synthese einer selbsttragenden Elektrode für die Wasserstoffentwicklungsreaktion bei der Wasserhydrolyse ist von entscheidender Bedeutung, da sie eine grundlegende Herausforderung der sauberen Energieerzeugung adressiert. Traditionelle Methoden sind häufig auf teure Katalysatoren und Trägermaterialien angewiesen, was die Effizienz und Skalierbarkeit der Wasserstoffproduktion einschränken kann.“
Er fügte hinzu: „Unsere Arbeit stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da wir eine selbsttragende Elektrode entwickelt haben, die nicht nur die elektrokatalytische Aktivität verbessert, sondern auch eine kostengünstige und nachhaltige Lösung für die Wasserstofferzeugung bietet.“ Feng Ming Yap ist außerdem Doktorand an der Fakultät für Energie- und Chemieingenieurwesen der Xiamen University Malaysia in Selangor Darul Ehsan, Malaysia.
WS₂/N-rGO/CC gilt als selbsttragende Elektrode , da die aktiven Spezies des Elektrokatalysators, Wolframdisulfid, direkt in das leitfähige Material integriert sind. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Polymerbindemitteln oder Additiven, welche die aktiven Zentren des Katalysators verdecken oder die Elektronenleitung behindern könnten. Dies maximiert die Reaktionseffizienz und führt zu einer verbesserten Leistung.
Um die optimale Konzentration von Dimethylformamid (DMF) zum Erreichen des gewünschten metallischen 1T-Phasenübergangs von WS2 zu bestimmen, führte das Forschungsteam Experimente durch, indem es unterschiedliche Mengen DMF in die abschließende hydrothermale Synthesereaktion einbaute.
Die mit einer 50%igen DMF-Konzentration in Wasser hergestellte Elektrode zeigte bessere Eigenschaften als Elektroden mit 0-, 25-, 75- und 100-prozentigen DMF-Lösungen. Es ist daher sehr wahrscheinlich, dass der edelmetallfreie Elektrokatalysator die Effizienz der Wasserstoffentwicklung aus Wasser verbessert.
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Der Projektleiter und außerordentliche Professor an der Fakultät für Energie- und Chemieingenieurwesen der Xiamen-Universität Malaysia, Wee-Jun Ong , sagte: „Unsere Elektrode kann unter einem breiten pH-Bereich effizient Wasserstoff produzieren und ist daher vielseitig und anpassungsfähig für verschiedene praktische Anwendungen. Dies ist ein Schritt hin zu einer nachhaltigen und effizienten Wasserstoffproduktion, die für eine sauberere Energiezukunft unerlässlich ist.“
Am wichtigsten ist, dass der auf 50 % WGC basierende Elektrokatalysator im Vergleich zum Platin-Referenzkatalysator (20 % Pt-C/CC) sowohl unter sauren als auch unter basischen Bedingungen eine überlegene Leistung für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) zeigte. Insbesondere wies der 50 % WGC ein deutlich niedrigeres Überspannungspotenzial auf, was auf einen geringeren Energiebedarf für die Wasserspaltung im Vergleich zum 20 % Pt-C/CC hindeutet. Konkret wurde für den 50 % WGC ein Überspannungspotenzial von beeindruckenden 21.13 mV gemessen, während das Überspannungspotenzial des 20 % Pt-C/CC mit 46.03 mV deutlich höher lag.
Dem Forschungsteam zufolge ist die Entwicklung kostengünstiger und energieeffizienter Elektrokatalysatoren, wie beispielsweise des 50%igen WGS-Katalysators, für die Erreichung der globalen Ziele im Bereich sauberer Energie von entscheidender Bedeutung. Diese Forschung ist integraler Bestandteil der nationalen Initiativen Malaysias, insbesondere des Nationalen Fahrplans für die Energiewende (NETR) und des Fahrplans für Wasserstoffwirtschaft und -technologie (HETR) . Ziel ist es, in den nächsten fünf Jahren einen effektiven Beitrag zu Malaysias Zielen für nachhaltige Energie zu leisten.
„Wir wollen die Skalierbarkeit und praktische Anwendbarkeit unserer selbsttragenden Elektrodentechnologie erforschen. Unser oberstes Ziel ist es, zum Übergang zu einer nachhaltigen Energielandschaft beizutragen, in der Wasserstoff als saubere und erneuerbare Energiequelle eine entscheidende Rolle spielen kann“, sagte Ong.
Jian Yiing Loh , ein Forscher der Xiamen University Malaysia, spielte eine entscheidende Rolle bei der Studie, die an der School of Energy and Chemical Engineering und dem Center of Excellence for NaNo Energy & Catalysis Technology (CONNECT) in Selangor Darul Ehsan, Malaysia, durchgeführt wurde.
Quelle : pH-universelle elektrokatalytische Wasserstoffentwicklung
