Idrogeno verde (o H2 ) prodotto da risorse energetiche rinnovabili è il carburante di un futuro decarbonizzato. L'elettrolisi, ovvero la scissione dell'acqua in ossigeno e idrogeno con l'aiuto di una cella elettrochimica, è uno dei modi più popolari per produrre H2 verde .
È una reazione semplice, garantisce prodotti di alta qualità e ha zero emissioni di carbonio. Nonostante i suoi vantaggi, tuttavia, la scissione elettrochimica dell’acqua deve ancora acquisire importanza su scala commerciale. Ciò è dovuto alla bassa conduttività elettrica dei catalizzatori di (ossi)idrossidi attivi generati in situ durante i processi elettrochimici. Ciò, a sua volta, porta a un'attività catalitica limitata, ostacolando le reazioni di evoluzione dell'idrogeno e dell'ossigeno nella cellula.
Il problema delle scarse proprietà elettriche dell'(ossi)idrossido rappresenta da tempo una sfida per il raggiungimento di un'efficiente scissione dell'acqua. Ora, un team di ricercatori guidato dal professore associato Junhyeok Seo del Dipartimento di Chimica dell'Istituto di Scienza e Tecnologia di Gwangju, ha trovato una soluzione a questo problema sotto forma di giunzioni Schottky.
In un recente studio pubblicato su Applied Catalysis B:Environmental , hanno dimostrato un elettrodo con una giunzione Schottky formata all'interfaccia del nitruro metallico di nichel-tungsteno (Ni-W5 N4 ) e catalizzatore semiconduttore di nichel-ferro (ossi)idrossido (NiFeOOH) di tipo n. Questo elettrodo è stato in grado di superare il limite di conduttanza dell'(ossi)idrossido e ha migliorato la capacità di scissione dell'acqua della configurazione.
In particolare, due materiali, un metallo e un semiconduttore, con comportamenti elettronici molto diversi, sono stati messi in contatto per creare una differenza di energia all'interfaccia, formando una giunzione. "La nostra ricerca ha utilizzato questa potenziale barriera energetica presente nella giunzione Schottky per accelerare il flusso di elettroni nell'elettrodo, portando a un aumento significativo dell'attività di reazione di evoluzione dell'ossigeno, accelerando la scissione complessiva dell'acqua", spiega il dottor Seo, evidenziando il meccanismo principale alla base del loro nuovo elettrodo progettato.
Dopo aver effettuato la scissione elettrocatalitica dell'acqua, il team ha osservato che Ni-W5 N4 la lega ha catalizzato la reazione di evoluzione dell'idrogeno, ottenendo 10 mA/cm 2 densità di corrente con un piccolo sovrapotenziale di 11 mV. Inoltre, la giunzione Schottky rettificatrice si è formata all'interfaccia di Ni-W5 N4 |NiFeOOH ha annullato la laminazione non conduttiva prodotta dalle specie di (ossi)idrossidi.
Nella polarizzazione diretta, ha mostrato una densità di corrente di 11 mA/cm 2 a 181 mV di sovrapotenziale. L'analisi elettrochimica dell'elettrodo ha rivelato che la migliore attività catalitica potrebbe effettivamente essere attribuita alla giunzione Schottky.
Infine, i ricercatori hanno progettato un elettrolizzatore utilizzando il loro elettrodo a giunzione Schottky per l'elettrolisi industriale dell'acqua di mare. Hanno scoperto che il nuovo dispositivo potrebbe funzionare ininterrottamente per 10 giorni, mostrando anche un’attività catalitica e una durata eccezionali durante l’elettrolisi. Ha mostrato una notevole densità di corrente di 100 mA/cm 2 con un sovrapotenziale di soli 230 mV.
Nel complesso, i ricercatori ritengono che questi risultati possano contribuire a una strategia sostenibile per la produzione di idrogeno che possa eventualmente sostituire i metodi convenzionali che si basano ancora sui combustibili fossili. Come conclude il dottor Seo, "L'acqua dolce e l'acqua di mare sono fonti abbondanti e rinnovabili di protoni. Sistemi efficienti di suddivisione dell'acqua garantiscono che possiamo stabilire una produzione sostenibile di combustibile a idrogeno a zero emissioni di carbonio, aiutando così a gestire i nostri attuali problemi climatici."
Ulteriori informazioni: Selvaraj Seenivasan et al, interruttore Schottky derivato dal metallico W5N4 | giunzione catalitica:accensione per migliorare l'attività catalitica e la durabilità nella reazione di scissione dell'acqua, Catalisi applicata B:ambientale (2023). DOI:10.1016/j.apcatb.2023.123233
Fornito dall'Istituto di scienza e tecnologia di Gwangju
