Figura 1. Confronto dei sovrapotenziali a 10 mA cm-2 con i catalizzatori HER recentemente riportati in condizioni sia acide che alcaline. Credito:Professor Jong-Beom Baek, UNIST
I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando attivamente per accelerare lo sviluppo di nuovi catalizzatori in grado di ridurre notevolmente i costi di produzione dell'idrogeno. Sono stati segnalati numerosi catalizzatori innovativi, tuttavia le loro prestazioni attese sono spesso sconosciute prima dell'implementazione, e quindi sono necessarie ulteriori ricerche per l'uso pratico. Uno studio recente, UNIST affiliato, ha introdotto un nuovo catalizzatore altamente efficiente per la generazione di idrogeno ed è stata dimostrata anche la sua prevista prestazione catalitica.
Il professor Jong-Beom Baek e il suo gruppo di ricerca presso la Scuola di ingegneria energetica e chimica dell'UNIST hanno sviluppato con successo un nuovo catalizzatore di idrogeno per la scissione dell'acqua, che consiste di nanoparticelle di rutenio (Ru) uniformemente distribuite e ancorate sulla superficie di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT), o (Ru@MWCNT). Il team di ricerca ha anche valutato le prestazioni catalitiche del Ru@MWCNT. I risultati hanno indicato che il catalizzatore Ru@MWCNT è superiore in molti modi ai catalizzatori commerciali Pt/C. I nuovi catalizzatori sono semplici da sintetizzare e possono essere prodotti in serie, secondo il gruppo di ricerca.
"Oltre a introdurre catalizzatori altamente efficienti e stabili che superano le caratteristiche dei materiali esistenti, questo studio mira a valutare le prestazioni catalitiche degli elettrodi catalizzatori, che è una parte essenziale della commercializzazione, "dice il professor Baek.
L'idrogeno è l'elemento più abbondante, che rappresenta il 75% dell'universo, ed è stata considerata una fonte di energia efficiente e rispettosa dell'ambiente per il futuro. Attualmente, la maggior parte dell'idrogeno è prodotta da combustibili fossili, come il gas naturale e questo rilascia spesso anidride carbonica (CO 2 ) emissioni nel processo. In alternativa, è stato suggerito il processo di utilizzo dell'elettricità per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno, ma ciò richiede l'uso di catalizzatori costosi, come il platino.
Figura 2. Illustrazione schematica delle fasi del processo per la formazione del catalizzatore Ru@MWCNT. Credito:Professor Jong-Beom Baek, UNIST
Quindi, Il team del professor Baek ha costantemente sviluppato catalizzatori che non solo hanno prestazioni superiori ai tradizionali catalizzatori al platino, ma hanno costi di produzione inferiori. Il catalizzatore Ru@MWCNT presenta proprietà elettrochimiche superiori rispetto ai catalizzatori metallo-organici precedentemente annunciati. Il catalizzatore dimostra eccellenti prestazioni HER con bassi sovrapotenziali (vedi Figura 1), eccezionale durata e alte frequenze di turnover sia in condizioni acide che alcaline.
I catalizzatori Ru@MWCNT prendono la struttura, in cui le nanoparticelle di rutenio (Ru) sono distribuite uniformemente e ancorate sulla superficie dei nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT). Grazie alla distribuzione granulometrica più piccola e all'uniformità delle particelle, mostra eccellenti prestazioni di LEI e per questo, è stato anche sviluppato un processo di fabbricazione.
"Il metodo esistente per combinare Ru e CNT, c'è una tendenza alle particelle di Ru che si attaccano tra loro e aumentando costantemente la dimensione dell'agglomerato durante il trattamento termico, " dice Do Hyung Kweon (M.S./Ph.D. combinato di ingegneria energetica e chimica, UNISTA), il primo autore dello studio. "Sopprimiamo questo agglomerato di particelle tramite l'introduzione di "sale di Ru" e "-COOH" e ciò ha consentito la distribuzione uniforme delle nanoparticelle di Ru sulla superficie del MWCNT".
Figura 3. Valutazione delle prestazioni di HER nella suddivisione dell'acqua reale. Credito:Professor Jong-Beom Baek, UNIST
Per determinare con precisione le prestazioni del nuovo catalizzatore, Il professor Baek ha condotto la valutazione delle prestazioni HER nell'effettiva costruzione e analisi del sistema di scissione dell'acqua, oltre alla misura del potenziale eccessivo esistente. I loro risultati mostrano che Ru@MWCNT produce il 15,4% in più di idrogeno per consumo energetico rispetto al Pt/C commerciale e l'efficienza faradaica (92,28%) è superiore al Pt/C (85,97%).
"Gli studi precedenti sui catalizzatori a idrogeno si concentrano sulla valutazione delle prestazioni catalitiche stesse, ed erano inadeguati per affrontare l'effettiva costruzione e analisi del sistema di scissione dell'acqua, " afferma il professor Baek. "Questo studio è significativo in quanto può prevedere l'effettiva applicabilità di HER".
I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .
