Langlebiger, kostengünstiger Elektrokatalysator erzeugt sauberen Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser
Wasserstoff ist ein leicht brennbares Gas, das der Welt helfen kann, ihre Ziele für saubere Energie zu erreichen, wenn es auf umweltverträgliche Weise hergestellt wird. Das Haupthindernis bei der Erzeugung von Wasserstoffgas aus Wasser ist die große Menge an Energie, die für die Elektrolyse von Wasser oder die Spaltung von Wassermolekülen in Wasserstoffgas (H2) und Sauerstoff (O2) benötigt wird. Ein neuer Elektrokatalysator aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Silizium (Si), der den Energieaufwand für die Synthese von H2 aus Wasser verringert, wurde auf einfache und kosteneffiziente Weise hergestellt, wodurch H2 als saubere und erneuerbare Energie der Zukunft an Bedeutung gewinnt.
Natürlicher Tonmagadiit, der Silizium (Si) enthält, wurde in einem versiegelten Gefäß in einer wässrigen Lösung erhitzt, die Eisenchlorid (FeCl3) und Nickelchlorid (NiCl2) enthielt, um ein Metallsilikat zu erzeugen, das aus Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Si besteht. Das Metallsilikat wurde dann durch Hinzufügen von Elektronen zu Metallsilikatatomen mit Magnesium, Salz und Wärme reduziert, um die besser organisierte intermetallische Silicidstruktur (Eisen-Nickel-Silicid) zu erzeugen. Das Diagramm veranschaulicht die geringere Spannung, die für den Elektrokatalysator aus einer Eisen-Nickel-Silicid-Legierung (FeNiSi) erforderlich ist, um Wasserstoff und Sauerstoffgas zu erzeugen, verglichen mit NiSi- und FeSi-Legierungen.
Nano Research Energy, Tsinghua University Press
Der Großteil des heute produziertenH2 wird aus fossilen Brennstoffen gewonnen, was zur globalen Erwärmung beiträgt. Die Herstellung vonH2 aus Wasser durch die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) erfordert den Einsatz eines Katalysators oder eines Mittels, das die für eine chemische Reaktion erforderliche Energiemenge verringert. Bis vor kurzem bestanden diese Katalysatoren aus Seltenerdmetallen wie Platin, was die Kosteneffizienz und Praktikabilität der sauberen Wasserstoffproduktion beeinträchtigte. Eine Gruppe von Materialwissenschaftlern von der Dalian University of Technology in Dalian, China, hat einen Elektrokatalysator hergestellt, d. h. einen Katalysator, der Elektrizität nutzt, und dabei kostengünstige Materialien und Methoden verwendet, um den Energiebedarf für die Erzeugung von sauberem Wasserstoff aus Wasser effektiv zu senken. Wichtig ist, dass die Eisen-Nickel-Silicid-Legierung (FeNiSi) oder -Mischung auch den Energieaufwand für die Erzeugung von O2 aus Wasser verringert, wodurch der Katalysator bifunktional ist.
Die Forscher veröffentlichten ihre Studie in Nano Research Energy am 3. November 2023.
"Was die Entwicklung und praktische Anwendung der Wasserelektrolyse-Technologie wirklich begrenzt, sind die elektrokatalytischen Materialien. Gegenwärtig handelt es sich bei den gängigen Katalysatoren, wie z. B. Edelmetallen, meist um Katalysatoren mit nur einer Funktion, was die praktische Anwendung der Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung einschränkt. Daher ist die Erforschung und Entwicklung effizienter, stabiler, preiswerter und umweltfreundlicher bifunktionaler elektrokatalytischer Materialien ein vorrangiges Ziel im Bereich der Elektrokatalyse", so Yifu Zhang, Hauptautor der Studie und Forscher an der Fakultät für Chemie der Dalian University of Technology.
Übergangsmetallsilizid-Legierungen sind einzigartige Verbindungen, die häufig in energierelevanten Bereichen eingesetzt werden, billig herzustellen sind und sich als potenzielle Elektrokatalysatoren für die Wasserhydrolyse eignen. Diese Legierungen bestehen aus Übergangsmetallen, die hervorragende Katalysatoren sind und bei chemischen Reaktionen frei Elektronen abgeben und aufnehmen können, sowie aus Si-Atomen, die die Stabilität, Wärmebeständigkeit und Zugänglichkeit der Übergangsmetallatome der Legierung bei Stromzufuhr verbessern.
Fe und Ni, zwei Übergangsmetalle, eignen sich gut für den Einsatz in einem Übergangsmetallsilicid zur Wasserspaltung. "Nickelsilicid wurde ... wegen seines geringen Widerstands und seiner hohen Metallaktivität eingehend untersucht, insbesondere ... in elektrochemischen Bereichen. Darüber hinaus haben viele neuere Studien gezeigt, dass Materialien auf Fe-Ni-Basis ein erhebliches Potenzial im Bereich der elektrochemischen Wasserspaltung haben. Ziel dieser Arbeit war es, einen kostengünstigen und umweltfreundlichen Weg zur Herstellung von Eisennickelsilicid als bifunktionalen Katalysator für die elektrolytische Wasserspaltung (EWS) zu entwickeln", so Zhang.
Das Forschungsteam stellte FeNiSi in zwei Schritten her. Zunächst wurden natürlicher Tonmagadiit, eine Siliziumquelle, Eisenchlorid und Nickelchlorid unter Druck erhitzt, um ein Eisen-Nickel-Silikat herzustellen. Das Eisen-Nickel-Silikat wurde dann mit Magnesium und Natriumchlorid (Kochsalz) kombiniert und erhitzt, um die geordnete Struktur der FeNiSi-Legierung zu entwickeln. Dies war das erste Mal, dass eine metallische Silizidlegierung durch diese Art der chemischen Reaktion unter Verwendung von Metallsilikaten als Reaktionsmaterial hergestellt wurde.
Elektronenmikroskopische Untersuchungen und Röntgenuntersuchungen ergaben, dass durch den Herstellungsprozess viele Porenstrukturen in der endgültigen FeNiSi-Legierung entstanden, wodurch sich die Oberfläche und die elektrokatalytische Gesamtleistung erhöhten. Die FeNiSi-Legierung senkt das Potenzial, das zur Abspaltung von Sauerstoff und Wasserstoff aus Wasser erforderlich ist, um 308 mV für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) bzw. 386 mV für die HER bei einem Strom von 10 mA-cm-2. Der Elektrokatalysator erwies sich auch nach 15 Stunden Betrieb als ausreichend haltbar.
Das Forschungsteam ist zuversichtlich, dass FeNiSi und andere Übergangsmetallsilikate zur Synthese von sauberem Wasserstoffgas für den künftigen Energiebedarf beitragen können. "Diese Arbeit bietet nicht nur eine einfache Methode für die Synthese von intermetallischem Silizid mit beachtlichen porösen Strukturen, sondern ermöglicht es auch, das intermetallische Silizid als bifunktionalen Elektrokatalysator für EWS zu betrachten. Kostengünstige und effiziente intermetallische Silizid-Elektrokatalysatoren werden neue Möglichkeiten für die Umwandlung erneuerbarer Energien bieten", so Zhang.
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