L'elettrolisi è un processo che utilizza l'elettricità per creare molecole di idrogeno e ossigeno dall'acqua. L’uso della membrana a scambio protonico (PEM) e dell’energia rinnovabile per l’elettrolisi dell’acqua è ampiamente considerato un metodo sostenibile per la produzione di idrogeno. Tuttavia, una sfida nel progresso della tecnologia dell'elettrolisi dell'acqua PEM è la mancanza di catalizzatori efficienti, economici e stabili per la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) in soluzioni acide durante l'elettrolisi dell'acqua PEM.
Sebbene i catalizzatori a base di iridio siano una potenziale soluzione, l’iridio metallico è raro e costoso in natura. In alternativa, ossidi di rutenio (RuO2 ) offrono un'opzione più accessibile e reattiva, ma soffrono anche di problemi di stabilità. Pertanto, i ricercatori stanno esplorando modi per migliorare la stabilità del RuO2 struttura per sviluppare catalizzatori OER promettenti per l'implementazione di successo della tecnologia di produzione dell'idrogeno.
Ora, in un recente studio pubblicato sul Journal of Energy Chemistry , un gruppo di ricercatori, guidato dal professor Haeseong Jang del Dipartimento di ingegneria dei materiali avanzati dell'Università di Chung-Ang, ha sviluppato un promettente catalizzatore OER.
Denotato come SA Zn-RuO2 , il catalizzatore comprende RuO2 stabilizzato da singoli atomi di zinco. Elaborando il loro studio, il Prof. Jang afferma:"Siamo stati motivati dalla necessità di trovare elettrocatalizzatori alternativi efficienti ed economici per l'OER nell'elettrolisi dell'acqua PEM. Sulla base del nostro studio, proponiamo una strategia di doppia ingegneria che coinvolge il drogaggio di Zn a singolo atomo e l'introduzione di posti vacanti di ossigeno per bilanciare l'elevata attività catalitica con la stabilità durante l'OER acida."
I ricercatori hanno sintetizzato SA Zn-RuO2 riscaldando una struttura organica con atomi di rutenio (Ru) e zinco, formando una struttura con posti vacanti di ossigeno (atomi di ossigeno mancanti che alterano positivamente le proprietà) e legami Zn-O-Ru.
Questi collegamenti stabilizzano il catalizzatore in due modi:rafforzando i legami Ru-O e fornendo elettroni dagli atomi di zinco per proteggere il rutenio dalla sovraossidazione durante il processo OER. Inoltre, il miglioramento dell'ambiente elettronico attorno agli atomi di rutenio riduce le energie necessarie affinché le molecole aderiscano alla superficie, abbassando così la barriera energetica per la reazione.
Il catalizzatore risultante era più stabile, senza apparente calo di reattività, e aveva prestazioni significativamente superiori al RuO2 commerciale . Inoltre, richiedeva meno energia extra (basso sovrapotenziale di 213 mV rispetto ai 270 mV del RuO2 commerciale ) e sono rimasti funzionali per un periodo più lungo (43 ore rispetto alle 7,4 ore per RuO2 commerciale ).
Grazie alla stabilità e alle caratteristiche migliorate, il nuovo SA Zn-RuO2 proposto Il catalizzatore ha il potenziale per influenzare lo sviluppo di elettrocatalizzatori economici, attivi e resistenti agli acidi per OER. Ciò, a sua volta, potrebbe aiutare a ridurre i costi e a migliorare la produzione di idrogeno verde, favorendo lo spostamento verso fonti energetiche più pulite e progressi nelle tecnologie sostenibili.
"Crediamo che questo cambiamento possa rivoluzionare le industrie, i trasporti e le infrastrutture energetiche e contribuire agli sforzi volti a combattere il cambiamento climatico e a promuovere un futuro più resiliente e attento all'ambiente. Questo perché l'idrogeno verde accessibile può avere un impatto trasformativo sulle società mitigando impatti ambientali, creazione di posti di lavoro e garanzia della sicurezza energetica attraverso soluzioni energetiche diversificate e sostenibili", spiega il prof. Jang.
In sintesi, il RuO2 altamente reattivo e cataliticamente stabile Il catalizzatore per l'OER acida ha una maggiore durata e caratteristiche favorevoli e ha il potenziale per guidare la progettazione di elettrocatalizzatori OER robusti e attivi non a base di iridio per applicazioni pratiche.
Ulteriori informazioni: Qing Qin et al, Sintonizzazione della struttura elettronica di RuO2 mediante Zn a singolo atomo e posti vacanti di ossigeno per potenziare la reazione di evoluzione dell'ossigeno in mezzo acido, Journal of Energy Chemistry (2023). DOI:10.1016/j.jechem.2023.09.010
Fornito dall'Università di Chung Ang
