L'elettrolisi dell'acqua è un approccio promettente per generare idrogeno trasformando l'energia elettrica alimentata da energia sostenibile in energia chimica immagazzinata in legami a idrogeno.
Grazie alla temperatura di funzionamento più bassa, all'efficienza della tensione più elevata, alle densità di corrente più elevate e alla migliore compatibilità rispetto ai tradizionali elettrolizzatori alcalini, l'elettrolizzatore ad acqua con membrana a scambio protonico (PEMWE) è emerso come una tecnologia promettente per la generazione di idrogeno verde.
Tuttavia, la reazione di evoluzione dell'ossigeno anodico (OER) con una cinetica di reazione lenta richiede solitamente un consumo energetico eccessivo, che limita significativamente l'efficienza di PEMWE. Attualmente, l'ossido di iridio (IrO2 ), che può soffrire di condizioni altamente ossidative e corrosive, è stato considerato il catalizzatore anodico all'avanguardia per PEMWE. Tuttavia, i costi elevati associati all'attività di massa ridotta ostacolano fortemente l'utilizzo su larga scala.
Pertanto, la progettazione e l'esplorazione di catalizzatori economicamente vantaggiosi con elevate prestazioni elettrocatalitiche e stabilità verso OER acide sono di grande urgenza, ma rimangono ancora impegnative.
Recentemente, l'ossido di rutenio (RuO2 ) è considerato un'alternativa promettente a IrO2 per OER acide grazie alla sua elevata attività intrinseca e al basso prezzo.
È noto che aumentando lo stato di ossidazione iniziale del Ru in RuO2 promuovere l'ossidazione attiva centrata sul Ru è una strategia efficace per migliorare le prestazioni elettrocatalitiche. A tal fine, sono stati dedicati grandi sforzi al doping di elementi estranei per regolare lo stato della mantovana del Ru in RuO2 catalizzatori a base di carbonio, che portano ad un'attività molto potenziata.
Tuttavia, la facile sovraossidazione dei siti Ru per formare RuO4 solubile 2- specie ad alto potenziale durante il processo di OER di solito provoca il collasso della struttura cristallina e la dissoluzione delle specie Ru, che è la vera ragione dell'insoddisfatta stabilità a lungo termine di RuO2 per OER acida.
Pertanto, sviluppando una strategia efficiente per bilanciare la relazione altalenante tra stabilità e attività di RuO2 a base di catalizzatori è essenziale per l'applicazione pratica di PEMWE, ma impegnativa.
Recentemente, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Wei Luo dell'Università di Wuhan, in Cina, ha sviluppato un RuO2 modificato catalizzatore con drogaggio di bismuto (Bi) (Bi0,15 Ru0,85 O2 ) per aumentare contemporaneamente l'attività e la stabilità verso l'OER acida. Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e Ru L2,3 Gli spettri XANES (assorbimento di raggi X con struttura vicino ai bordi) dimostrano l'aumento dello stato di ossidazione iniziale del Ru in Bi0,15 Ru0,85 O2 dopo il doping Bi.
Gli esperimenti elettrochimici, le caratterizzazioni degli spettri di spettroscopia di fotoemissione ultravioletta (UPS) e di spettroscopia ultravioletto-visibile (UV) hanno indicato che rivelano un trasferimento di elettroni molto più rapido e una migliore elettroconducibilità in Bi0,15 Ru0,85 O2 .
I test sull'energia di attivazione apparente e i risultati del calcolo della teoria del funzionale della densità (DFT) suggeriscono che l'introduzione di Bi può ridurre efficacemente sia l'energia di attivazione apparente che la barriera energetica del passaggio che determina la velocità da O* a OOH*, portando così a un'attività molto migliorata, con un basso sovrapotenziale di 200,0 mV a 10 mA cm -2 , così come stabilità a lungo termine oltre 100 ore.
I risultati sono pubblicati sul Chinese Journal of Catalysis .
Ulteriori informazioni: Liqing Wu et al, A Bi-doped RuO2 catalizzatore per l'ossidazione dell'acqua acida efficiente e duratura, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64554-1
Fornito dall'Accademia cinese delle scienze
