Nanoporöse intermetallische Verbindungen zur Steigerung der Wasserstoffproduktion
Wasserstoff hat von allen bekannten Stoffen die höchste Energiedichte (120 MJ/kg), etwa dreimal so viel wie Diesel oder Benzin, was bedeutet, dass er eine zentrale Rolle in nachhaltigen Energiesystemen spielen könnte. Die effiziente Herstellung von Wasserstoff durch einfache Wasserspaltung erfordert jedoch hochleistungsfähige Katalysatoren.
Das Prinzip und der selbstorganisierende Prozess der Flüssigmetalllegierung. In der Vorläuferlegierung (AB) sollten das porenbildende Metall (A) und die Opferkomponente (B) beim Mischen mit dem Schmelzbad (C) eine positive bzw. negative Enthalpie aufweisen. Während sich die Komponente B selektiv in der Schmelze C auflöst, organisiert sich die verbleibende Komponente A selbst zu einer porösen Struktur.
Takeshi Wada and Ruirui Song
Nun hat eine Gruppe der Tohoku University und der Johns Hopkins University in Zusammenarbeit nanoporöse intermetallische Verbindungen auf Molybdänbasis entwickelt, die die Wasserstoffproduktion steigern könnten.
Intermetallische Verbindungen im Nanomaßstab, die aus unedlen Übergangsmetallen bestehen, haben das Potenzial, kostengünstige und robuste Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion zu sein. Die Entwicklung monolithischer intermetallischer Verbindungen mit ausreichenden aktiven Stellen und ausreichender elektrokatalytischer Aktivität stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung für die Wissenschaftler dar.
"Unsere Forschung hat einen entscheidenden Beitrag zur Lösung dieses Problems geleistet", sagt Professor Hidemi Kato vom Institut für Materialforschung der Tohoku-Universität und Mitautor der Studie. "Wir haben uns auf Design und Technik konzentriert und eine fortschrittliche Dealloying-Technik für den Aufbau der Architektur der intermetallischen Verbindungen genutzt."
Flüssigmetalllegierung ist eine Verarbeitungstechnik, bei der die unterschiedliche Mischbarkeit der Legierungsbestandteile in einem geschmolzenen Metallbad genutzt wird, um ausgewählte Bestandteile zu korrodieren, während die anderen erhalten bleiben. Es ermöglicht die Selbstorganisation zu einer dreidimensionalen porösen Struktur.
Darüber hinaus kann die Porengröße sowohl bei μ-Co7Mo6 als auch bei μ-Fe7Mo6 im Nanometerbereich gesteuert werden, während sie bei den anderen Metallen/Legierungen im Allgemeinen im Mikrometerbereich liegt, wenn die Vergröberung bei entsprechenden Temperaturen erfolgt.
Die Kooperationsgruppe untersuchte dann die elektrokatalytische Leistung der neuen nanoporösen intermetallischen Verbindungen. Sie erwiesen sich als vielversprechend und haben das Potenzial, als kommerzieller HER-Katalysator für Hochstromanwendungen eingesetzt zu werden.
Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden am 2. September 2022 in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Neben Kato bestand die Gruppe aus Dr. Ruirui Song, ebenfalls vom Institut für Materialforschung der Tohoku-Universität, Assistenzprofessor Jiuhui Han vom Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences (FRIS) der Tohoku-Universität und Professor Mingwei Chen von der Johns Hopkins-Universität.
Für die Zukunft hofft die Forschungsgruppe, mit Hilfe der Flüssigmetalllegierung mehr monolithische nanoporöse intermetallische Verbindungen zu entwickeln, indem sie die grundlegenden Mechanismen hinter den allgemeinen intermetallischen Phasen erforscht.
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