Revolution der Wasserstoffproduktion: Wirtschaftliche und effiziente Lösungen präsentiert
Diese Forschung, die gleich zwei Probleme gelöst hat, erregt Aufmerksamkeit
Bei der Wasserelektrolyse handelt es sich um ein System, bei dem Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugt wird. Es handelt sich dabei um eine umweltfreundliche Technologie, mit der Wasserstoffkraftstoff, eine Energiequelle der Zukunft, ohne Emission von Umweltschadstoffen hergestellt werden kann. Kürzlich veröffentlichte ein Forscherteam der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) eine Forschungsarbeit, die beide Probleme auf einmal löste und für Aufsehen sorgte.
Das Team schuf ein poröses Nickelkatalysatormaterial mit einer Nanostäbchen-Vorsprungsstruktur, das effiziente dreidimensionale Porenkanäle und eine superaerophobe Oberflächenbenetzbarkeit aufweist. Dieses Design soll die schnelle Abtrennung von Wasserstoffblasen von der Katalysatoroberfläche erleichtern. Das Ergebnis ist eine erhebliche Steigerung der Effizienz der Wasserstoffproduktion im Wasserelektrolysesystem im Vergleich zu herkömmlichen dünnen, schichtförmigen Katalysatorelektroden.
POSTECH
Einem gemeinsamen Forschungsteam, bestehend aus Professor Jong Kyu Kim, Doktorand Jaerim Kim, Professor Yong-Tae Kim und Doktor Sang-Mun Jung vom Fachbereich Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der POSTECH, ist es gelungen, einen wirtschaftlichen und effizienten Katalysator für die Wasserelektrolyse zu entwickeln, der die Grenzen herkömmlicher Katalysatoren überwindet, indem er eine Schrägwinkelabscheidungsmethode und Nickel (Ni) verwendet. Die Forschungsarbeit wurde für ihre Exzellenz anerkannt und in der internationalen Fachzeitschrift Advanced Materials als Artikel auf der Titelseite veröffentlicht .
Bei den Wasserelektrolyseverfahren werden teure Edelmetalle wie Platin als Katalysatoren für die Wasserstofferzeugung eingesetzt, was den Prozess übermäßig kostspielig macht. Darüber hinaus führt die Verwendung herkömmlicher Dünnschichtkatalysatoren häufig zu einer unzureichenden Abtrennung von Wasserstoffblasen, was zu Verstopfungen der aktiven Stellen des Katalysators führt oder die Bewegung der Reaktanten behindert, was letztlich die Effizienz des Prozesses beeinträchtigt.
Als Antwort auf diese Herausforderungen entschied sich das Forschungsteam für die Schrägwinkelabscheidung und Nickel. Bei dieser Technik wird das Substrat während der Abscheidung gekippt, um auf einfache Weise verschiedene Nanostrukturen des Materials zu erzeugen, was eine unkomplizierte und kostengünstige Lösung darstellt. Außerdem ist Nickel ein auf der Erde reichlich vorhandener Nicht-Edelmetall-Katalysator, der eine relativ hohe Effizienz bei der Wasserstofferzeugung aufweist.
Das Team nutzte eine Schrägwinkelabscheidungsmethode, um Nickel zu synthetisieren, das fein gearbeitete, vertikal ausgerichtete Nanostäbchenvorsprünge aufweist. Im Gegensatz zu konventionellen Nanostrukturen, die lediglich die Oberfläche des Katalysators vergrößern, entwickelten die Forscher eine hochporöse Anordnung von Nickelnanostäbchen, die eine einzigartige superaerophobe Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, um das Problem der Wasserstoffanhaftung zu lösen. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass Wasserstoffblasen, die während des Elektrolyseprozesses entstehen, sich schneller von der superaerophoben Oberfläche ablösen. Der superaerophobe dreidimensionale Nickel-Nanostäbchen-Katalysator des Teams mit effektiven Porenkanälen zeigte eine bemerkenswerte 55-fache Verbesserung der Wasserstoffproduktionsleistung im Vergleich zu einer äquivalenten Menge Nickel in einer herkömmlichen Dünnschichtstruktur.
Professor Jong Kyu Kim und Ph. D. Jaerim Kim, die die Forschung leiteten, erklärten: "Indem wir die Effizienz des Wasserelektrolyseprozesses für die grüne Wasserstoffproduktion verbessern, machen wir Fortschritte auf dem Weg zu einer Wasserstoffwirtschaft und einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft." Sie fügten hinzu: "Dieser Durchbruch kommt nicht nur der Wasserelektrolyse zugute, sondern ist auch vielversprechend für verschiedene andere Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien, bei denen Oberflächenreaktionen eine entscheidende Rolle spielen, z. B. bei der Kohlendioxidreduktion und bei Systemen zur Umwandlung von Lichtenergie."
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