کاتالیزور جدید تجزیه آب، هیدروژن سبز را بدون فلزات گران قیمت تولید می‌کند

محققان ANEMEL کاتالیزوری برای تجزیه آب ساخته‌اند که کارآمد و پایدار است و به فلزات گروه پلاتین (PGM) متکی نیست. این مطالعه که اخیراً در مجله Energy & Environmental Science منتشر شده است، یک کاتالیزور بدون PGM با عملکرد بالا را برای کاتد در الکترولیز آب گزارش می‌کند که مسئول واکنش تولید هیدروژن سبز است.

الکترولیزرهای غشای تبادل آنیون (AEM) فعلی به PGMها متکی هستند که کمیاب و گران هستند. به طور خاص، این فلزات به عنوان کاتالیزور در کاتد، جایی که هیدروژن تولید می شود، استفاده می شوند. با این حال، الکترولیزرهای AEM ANEMEL از PGM اجتناب می کنند و در عوض فلزات فراوان تری مانند نیکل را انتخاب می کنند. این برای امکان پذیر ساختن پذیرش گسترده الکترولیزرها ضروری است: به کاهش هزینه قطعات الکترولیزر و بهبود قابلیت بازیافت آنها کمک می کند، ضایعات را کاهش می دهد و یک مزیت رقابتی ارائه می دهد.

این امر مستلزم بررسی راه‌های نوآورانه برای اطمینان از این است که الکترولیزرها حداقل به خوبی یا حتی بهتر از آنهایی که با PGM ساخته شده اند عمل کنند. به هر حال، پلاتین و سایر فلزات این گروه فعالیت و پایداری بسیار خوبی، به ویژه در چگالی جریان بالا در محیط های الکترولیزر ارائه می دهند، چیزی که کاتالیزورهای بدون PGM هنوز ندارند.

برای درک این دستاورد، محققان دو مفهوم را تعریف می کنند: کاتالیزور خود پشتیبان و رسوب الکتریکی. کاتالیزور خود پشتیبان نوعی کاتالیزور است که با رشد مستقیم آن بر روی یک تکیه گاه، معروف به لایه انتشار گاز (GDL) تشکیل می شود. GDL به گازها اجازه می دهد تا پخش شوند و در عین حال یک مسیر رسانا را فراهم می کند و می تواند از مواد مختلفی ساخته شود. اینها شامل کاغذ کربنی و فوم نیکل، نمد و مش می شود.

رسوب الکتریکی یک تکنیک پرکاربرد در کاربردهایی مانند ساعت و قایق است، هر جایی که پوشش فلزی مورد نیاز باشد. از طریق الکترولیز کار می کند، فرآیندی که از انرژی الکتریکی برای هدایت یک واکنش شیمیایی استفاده می کند. دو الکترود، الکترود کار - جایی که GDL قرار دارد - و یک الکترود متقابل، در یک محلول رسانای الکتریکی به نام الکترولیت غوطه ور می شوند. با اعمال جریان بین این دو، یون های موجود در محلول که به عنوان پیش ساز کاتالیزور عمل می کنند، به سمت الکترود کار مهاجرت می کنند و کاتالیزور را "رشد" می دهند.

در اینجا، محققان ANEMEL کاتالیزوری از نیکل و مولیبدن، هر دو فلز فراوان، رشد دادند. تازگی در روش و متغیرهای دخیل در دستیابی به کاتالیزور با عملکرد بالا نهفته است، زیرا این ترکیب فلزات قبلاً در واکنش های مشابه استفاده شده بود.

آریانا سربان، محقق دکترا در شریک ANEMEL، مدرسه پلی تکنیک فدرال لوزان (EPFL) در سوئیس، نویسنده اول این مقاله می گوید: "من مدتهاست که روی این کاتالیزور کار می کنم. این کار در طول زمان انباشته شده است - ما روش، ترکیب حمام رسوب الکتریکی و بسترهایی را که برای GDL استفاده می کنیم، بهینه سازی کردیم."

محققان کاغذ کربنی را به عنوان بستر GDL انتخاب کردند. این تصمیم پس از تأیید اینکه فوم نیکل، نمد و مش بهترین گزینه نیستند، گرفته شد. به عنوان مثال، دومی سوراخ های کوچکی در غشاء ایجاد کرد و در نتیجه اتصال کوتاه ایجاد شد. در مورد این روش، تازگی آن در ترکیب حمام رسوب الکتریکی و استفاده از چگالی جریان بالا برای رسوب گذاری نهفته است.

"حمام‌های رسوب الکتریکی که اغلب در مقالات استفاده می‌شوند، اغلب شامل یک عامل بافر مانند اسید بوریک برای تثبیت pH هستند. ما از این استفاده نکرده‌ایم. به همین دلیل است که این تکنیک خاص است. ما صرفاً به الکترولیتی با رسانایی بالا متکی هستیم. این رسانایی بالا بسیار مهم است زیرا بر فرآیند رسوب الکتریکی تأثیر می گذارد." سربان توضیح می دهد. چنین رسانایی بالایی امکان استفاده از چگالی جریان رسوب بالاتر را فراهم کرد، انتخابی عمدی برای دستیابی به یک ساختار الکترود فشرده تر و ضخیم تر.

نتیجه یک کاتالیزور با فعالیت قابل توجه است. به طور خاص، این امر الکترولیزرها را قادر ساخت تا به طور پایدار در چگالی جریان تا 3 A/cm² کار کنند - افزایش استرس در حین عملیات جریان بالا می تواند به عنوان یک ابزار ارزیابی سریع برای استحکام دستگاه عمل کند و نیاز به آزمایش های طولانی مدت هزاران ساعته را از بین ببرد.

چنین عملکردی با کاتالیزورهای پلاتینیوم معیار قابل مقایسه است، حتی با پایداری کمی برتر. این بدان معنی است که ANEMEL نه تنها یک کاتالیزور HER بدون PGM توسعه داده است، بلکه کاتالیزوری فراتر از کاتالیزورهای پیشرفته نیز توسعه داده است. به گفته سربان، این نتیجه از نظر عملکرد برای کاتالیزورهای غیر PGM در بین 100 رتبه برتر یا حتی 50 رتبه برتر قرار دارد.

مشخصه یابی کاتالیزور تغییر ساختاری را در طول واکنش نشان داد که نتایج خوب را توضیح می داد. او توضیح می دهد: "سازماندهی مجددی در سطح وجود داشت، جایی که اتم های مولیبدن حجیم به سطح مهاجرت کردند و به دلیل اعوجاج در حجم، به این امر کمک شد."

برخی از این اتم ها اکسید می شوند - آنها الکترون از دست می دهند - و این گونه های اکسید شده به فرآیند تجزیه آب کمک می کنند. این نتیجه ما را یک گام به تولید هیدروژن سبز در مقیاس بزرگ نزدیک می کند.