Naukowcy z Centrum Doskonałości Technologii NanoEnergetyki i Katalizy (CONNECT) Uniwersytetu Xiamen w Malezji odkryli, że elektrokatalizator niezawierający metali szlachetnych poprawia wydajność wydzielania wodoru z wody. Z powodzeniem opracowali wysoce wydajny elektrokatalizator wodny o nazwie WS2/N-rGO/CC. Podczas elektrolizy ten zaawansowany elektrokatalizator zapewnia niezwykłą wydajność w reakcji wydzielania wodoru (HER). Elektroda ta obniża koszty i maksymalizuje wydajność wytwarzania wodoru bez konieczności stosowania drogich katalizatorów i dodatków. Uważa się, że to odkrycie zwiększy aktywność elektrochemiczną i znacząco przyczyni się do rozwoju malezyjskich inicjatyw narodowych.
Naukowcy z Centrum Doskonałości Technologii NanoEnergetyki i Katalizy (CONNECT) Uniwersytetu Xiamen w Malezji opracowali trwały i wydajny elektrokatalizator wodny . Jest on wykonany z dwusiarczku wolframu (WS2) , który jest dwuwymiarowym materiałem o właściwościach półprzewodnikowych. Materiał ten działa jako akceptor lub donor elektronów w procesie elektrolizy.
Wysoce zaawansowany elektrokatalizator, znany jako WS2/N-rGO/CC , jest precyzyjnie wytwarzany na tkaninie węglowej (CC). Materiał ten łączy niezwykłe właściwości zredukowanego tlenku grafenu (rGO) z infuzją niewielkiej ilości azotu (N). W rezultacie powstaje przekształcony półprzewodnik z zredukowanego tlenku grafenu, tworzący dwuwymiarowy półprzewodnik sieciowy.
Spalanie wodoru jako paliwa nie powoduje globalnego ocieplenia. Jednak większość wodoru jest obecnie wytwarzana z paliw kopalnych, które uwalniają gazy cieplarniane. Aby osiągnąć neutralność węglową w przyszłości, ważne jest wytwarzanie wodoru z czystych źródeł, takich jak rozszczepianie cząsteczek wody za pomocą elektryczności. Jednak obecne metody są nieefektywne i ograniczają praktyczne zastosowanie technologii opartych na wodorze.
Ulepszony elektrokatalizator zwiększa wydajność wytwarzania wodoru poprzez elektrolizę. Osiąga to poprzez zwiększenie aktywności elektrochemicznej, powierzchni reakcji i trwałości.
Poprzez reakcję hydrotermalną , dwuwymiarowa struktura WS2 może zostać przekształcona w nanokwiaty, czyli trójwymiarowe formacje przypominające kwiaty. Te nanokwiaty posiadają niezwykłe właściwości, w tym zwiększoną powierzchnię elektrokatalizatora. W rezultacie znacząco zwiększają wydajność reakcji, prowadząc do znacznej poprawy ogólnej wydajności.
Główny autor artykułu, Feng Ming Yap , powiedział: „Synteza samonośnej elektrody do reakcji wydzielania wodoru w procesie hydrolizy wody jest kluczowa, ponieważ stanowi odpowiedź na fundamentalne wyzwanie w produkcji czystej energii. Tradycyjne metody często opierają się na drogich katalizatorach i nośnikach, co może ograniczać wydajność i skalowalność produkcji wodoru”.
Dodał również: „Nasza praca stanowi znaczący postęp, ponieważ pozwala stworzyć samonośną elektrodę, która nie tylko zwiększa aktywność elektrokatalityczną, ale także oferuje ekonomiczne i zrównoważone rozwiązanie w zakresie wytwarzania wodoru”. Feng Ming Yap jest również studentem studiów podyplomowych na Wydziale Inżynierii Energetycznej i Chemicznej Uniwersytetu Xiamen w Malezji w Selangor Darul Ehsan.
Elektrodę WS2/N-rGO/CC uważa się za samonośną, ponieważ zawiera ona aktywny składnik elektrokatalizatora, disiarczek wolframu, bezpośrednio w materiałach przewodzących. Eliminuje to potrzebę stosowania spoiw polimerowych lub dodatków, które mogłyby maskować miejsca aktywne katalizatora lub utrudniać przewodnictwo elektronowe. W rezultacie maksymalizuje się wydajność reakcji , co prowadzi do poprawy jej wydajności.
Aby określić optymalne stężenie dimetyloformamidu (DMF) niezbędne do uzyskania pożądanej metalicznej przemiany fazowej 1T WS2, zespół badawczy przeprowadził eksperymenty, włączając różne ilości DMF do końcowej reakcji syntezy hydrotermalnej.
Elektroda wykonana z 50% stężeniem DMF w wodzie wykazała lepsze właściwości w porównaniu do elektrod wykonanych z roztworów 0, 25, 75 i 100 procent DMF. Jest więc wysoce prawdopodobne, że elektrokatalizator bez metali szlachetnych poprawia wydajność wydzielania wodoru z wody.
Zobacz także : Woda morska zapewni nieskończone źródło zielonego wodoru w obliczu niedoboru wody słodkiej
Kierownik projektu i profesor nadzwyczajny w Szkole Inżynierii Energetycznej i Chemicznej Uniwersytetu Xiamen w Malezji, Wee-Jun Ong , powiedział: „Nasza elektroda może wydajnie wytwarzać wodór w szerokim zakresie pH, co czyni ją wszechstronną i nadającą się do różnych praktycznych zastosowań. To krok w kierunku zrównoważonej i wydajnej produkcji wodoru, która jest niezbędna dla czystszej przyszłości energetycznej”.
Co najważniejsze, elektrokatalizator oparty na 50% WGC wykazał lepszą wydajność w porównaniu z platynowym elektrokatalizatorem wzorcowym, który zawierał 20% Pt-C/CC, zarówno w warunkach kwasowych, jak i zasadowych. Co istotne, 50% WGC charakteryzował się znacznie niższym potencjałem nadwyżkowym, co wskazuje na niższe zapotrzebowanie na energię do rozszczepienia wody, w porównaniu z 20% Pt-C/CC. Dokładniej, potencjał nadwyżkowy dla 50% WGC wyniósł imponujące 21.13 mV, podczas gdy dla 20% Pt-C/CC był on wyższy i wynosił 46.03 mV.
Zdaniem zespołu badawczego , nie można przecenić znaczenia rozwoju opłacalnych i energooszczędnych elektrokatalizatorów, takich jak 50% WGS, w kontekście realizacji globalnych celów w zakresie czystej energii. Badania te stanowią integralną część malezyjskich inicjatyw krajowych, w szczególności Narodowej Mapy Drogowej Transformacji Energetycznej (NETR) oraz Mapy Drogowej Gospodarki i Technologii Wodorowych (HETR) . Ich celem jest efektywne przyczynienie się do realizacji celów Malezji w zakresie zrównoważonej energii w ciągu najbliższych pięciu lat.
„Naszym celem jest zbadanie skalowalności i praktycznego wdrożenia naszej technologii samowystarczalnych elektrod. Naszym ostatecznym celem jest przyczynienie się do przejścia na zrównoważony krajobraz energetyczny, w którym wodór może odgrywać kluczową rolę jako czyste i odnawialne źródło energii” – powiedział Ong.
Jian Yiing Loh , badacz z Uniwersytetu Xiamen w Malezji, odegrał kluczową rolę w badaniu przeprowadzonym w Szkole Inżynierii Energetycznej i Chemicznej oraz Centrum Doskonałości Technologii NaNoEnergetycznych i Katalizy (CONNECT) w Selangor Darul Ehsan w Malezji.
