Un team di ricerca guidato dal professor Sangaraju Shanmugam di Energy Science and Engineering presso DGIST ha sviluppato un sistema altamente efficiente, elettrocatalizzatore nanostrutturato nucleo-guscio ultra resistente e ha sostituito con successo il prezioso anodo nell'elettrolisi dell'acqua, attraverso la collaborazione con il gruppo di ricerca del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

La sostituzione dei combustibili convenzionali con risorse energetiche rinnovabili è un approccio adeguato per ottenere un ambiente ecocompatibile e ridurre la futura domanda di energia. Così, generazione o conversione di energia elettrochimica in dispositivi di energia rinnovabile, che dipende dalle reazioni dell'anodo e del catodo, ha ricevuto molta attenzione.

Nella scissione elettrocatalitica dell'acqua, il gas ossigeno si genera nell'anodo a causa della reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), una reazione elettrochimica lenta rispetto alla reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER). Così, è necessario un elettrocatalizzatore adatto per una scissione elettrocatalitica stabile dell'acqua.

Sviluppo di efficienti, durevole, gli elettrocatalizzatori OER a basso costo sono importanti per i dispositivi energetici dell'elettrolizzatore dell'acqua. Fino ad ora, gli ossidi di rutenio e iridio erano considerati elettrocatalizzatori all'avanguardia in OER, ma la mancanza di stabilità limita il loro uso nella scissione dell'acqua su larga scala, ostacolando la commercializzazione diffusa.

La squadra del professor Shanmugam, insieme a ricercatori del PNNL, si sono concentrati sullo sviluppo di un'alternativa a basso costo, elettrocatalizzatore in metallo non nobile per sostituire l'elettrodo anodico in metallo nobile in un'efficiente scissione dell'acqua. Il metallo supportato dal carbonio è considerato un materiale elettrocatalitico efficiente per una migliore OER nella scissione dell'acqua. Finora, la maggior parte degli elettrocatalizzatori sviluppati presentava un contenuto di carbonio più elevato e un contenuto specioso meno attivo in metallo. La maggiore quantità di carbonio ha impantanato i veri siti attivi del metallo, e ha portato a condizioni di corrosione del carbonio più veloci. Ciò ha portato a una minore attività elettrocatalitica.

Nello studio, i ricercatori hanno scoperto che un gran numero di ioni metallici inorganici di cobalto uniti da ligandi organici nel blu di Prussia sono un precursore adatto per lo sviluppo di ultra-stabili, ricco di metalli, elettrocatalizzatori core-shell incapsulati con nanocarbonio grafitico drogato con azoto per il lento OER (anodo) nella scissione dell'acqua.

Se riscaldato (da 600 a 900 gradi C) in un'atmosfera inerte, gli ioni cobalto metallico e i ligandi organici nel sale vengono trasformati in metallo cobalto e sottili strati di carbonio grafitico drogato con azoto, rispettivamente, che formano il sottile strato di carbonio, metallico incapsulato, nanostrutture core-shell di cobalto (Core-Shell Co@NC). I sottili strati di carbonio hanno una forte interazione con il metallo cobalto, che promuovono una minore corrosione del carbonio, mostrano un eccellente movimento degli elettroni, e hanno una maggiore esposizione al metallo cobalto al mezzo di reazione, compresa la formazione di morfologia nanometrica senza aggregazione di particelle.

L'effetto combinato del carbonio e del metallo cobalto negli elettrodi consente di ottenere un'attività OER elettrocatalitica più efficiente rispetto agli elettrodi in metallo prezioso per un'efficiente scissione dell'acqua. Perciò, l'elettrodo non ricco di metalli nobili è un'alternativa, attivo, stabile, e l'anodo OER meno costoso per la produzione economica di gas H2 nell'elettrolisi dell'acqua su scala commerciale.

"Prevediamo che questo sia un approccio unico allo sviluppo di metalli ricchi, nanostrutture composite a ridotto contenuto di carbonio che hanno siti attivi metallici potenziati, che presentano una protezione sottile dello strato di carbonio e un movimento degli elettroni ultraveloce nella superficie del catalizzatore, che migliorerà l'attività elettrochimica e la stabilità degli elettrocatalizzatori, " afferma il professor Shanmugam. "Effettueremo gli studi di follow-up che possono essere utilizzati per comprendere il vero meccanismo OER sulle specie attive in presenza di rivestimento di nanocarbonio".

Questo risultato della ricerca è stato pubblicato nell'edizione online di Materiali energetici avanzati l'11 gennaio 2018 una rinomata rivista internazionale nel campo dei materiali emergenti.

Intervista al Professor Sangaraju Shanmugam (Dipartimento di Scienze e Ingegneria Energetica):

D. Quali sono le differenze rispetto agli studi precedenti?

R. Negli studi precedenti, i ricercatori hanno preparato i metalli rivestiti di carbonio da vari precursori, comprese le strutture metallo-organiche (MOF). I catalizzatori ottenuti presentano più carbonio con ridotta natura grafitica, e il carbonio copriva i siti di metalli attivi. Così, la maggior parte dei siti metallici attivi non viene utilizzata correttamente dalle reazioni elettrochimiche. Anche, a causa della notevole corrosione del carbonio, quei catalizzatori non sono abbastanza adatti per l'OER lenta nella scissione dell'acqua al potenziale positivo più elevato con mancanza di instabilità in condizioni elettrolitiche difficili. Di conseguenza, in questo lavoro, abbiamo preparato il ricco di metalli, strati sottili di nanocarbonio (NC) hanno incapsulato l'elettrocatalizzatore di nanostrutture core-shell Co@NC da un singolo precursore analogo del blu di Prussia (PB). Il Co@NC ha mostrato una maggiore attività di evoluzione dell'ossigeno e ultrastabilità sull'attuale collettore di schiuma di nichel. Globale, gli strati di carbonio sottili e uniformi forniscono i movimenti veloci degli elettroni, utilizzo di più siti metallici attivi con facile penetrazione dell'elettrolito. Più importante, it can protect the active metal sites from the corrosion with minimal exposing and also the strong interaction between metal and carbon layers exhibits the synergistic effect towards the excellent activity and ultra-stability (over 350 h) of core-shell Co@NC nanostructures with less possibility of carbon oxidation.

Q. How can it be utilized?

A. Based on the remarkable OER performance, kinetics and long-term stability of core-shell Co@NC nanostructures as compared to the state-of-the-art Noble metal based electrocatalysts, such as IrO2 and RuO2, it is the most suitable candidate to replace precious metal OER electrodes for reducing the overall cost of the water electrolyzer system. Così, the development of efficient and durable non-noble metal electrocatalyst in water electrolyzer is the main obstacle for successful commercialization of water electrolyzers.

Q. How long will it be required for commercialization?

A. The process is readily available for the fabrication of cost-effective catalysts. But we still have to evaluate the integration of this catalytic system in a polymer electrolyte membrane electrolyzer .Studies are underway to understand the OER mechanism on this electrocatalyst. So for commercialization, it may require a year with complete understanding of activity and stability.

Q. What are the challenges for commercialization?

A. We have to make the uniform coating of this catalyst on the larger size current collectors without any peeling. So we need to find a more suitable coating methodology. Anche, as with precious OER electrocatalysts, we have to understand the precise OER mechanism on this electrocatalysts to maintain/avoid activity losses due to the unwanted side reactions, eccetera.

Q. What is the motivation for your research?

A. The primary motivation of this work is to replace the precious anode in water electrolyzer systems with high activity and stability. So to improve the activity and stability, we tried to introduce the very thin carbon coating on the metal active sites. Overall, the development metal-rich and carbon less OER electrocatalysts with proper utilization of metal-active species and metal-carbon synergistic effect to overcome the sluggish anode reaction in water electrolysis.

Q. What is the final goal you would like to achieve through this research?

A. Based on this research, we understand that the metal-rich electrocatalysts are among the most suitable materials for excellent OER activity. So we want to prepare the cheapest anode electrocatalysts by using the same methodology and eliminate the use of precious electrodes in the water electrolyzer system for the production of green and sustainable hydrogen in large scale.