Un nuovo elettrocatalizzatore composto da nichel (Ni), ferro (Fe) e silicio (Si) che diminuisce la quantità di energia richiesta per sintetizzare H2 dall'acqua è stato prodotto in modo semplice ed economico, aumentando la praticità di H2 come energia pulita e rinnovabile del futuro.
L’idrogeno è un gas altamente combustibile che può aiutare il mondo a raggiungere i suoi obiettivi di energia pulita se prodotto in modo responsabile dal punto di vista ambientale. L'ostacolo principale alla creazione di gas idrogeno dall'acqua è la grande quantità di energia richiesta per l'elettrolisi dell'acqua o per la scissione delle molecole d'acqua in gas idrogeno (H2 ) e ossigeno (O2 ).
La maggior parte H2 prodotto oggi deriva da combustibili fossili, che contribuiscono al riscaldamento globale. Produzione H2 dall'acqua attraverso la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) richiede l'uso di un catalizzatore, o agente che riduce la quantità di energia richiesta per una reazione chimica. Fino a poco tempo fa, questi catalizzatori erano costituiti da metalli delle terre rare, come il platino, riducendo l'efficienza in termini di costi e la praticità della produzione di idrogeno pulito.
Un gruppo di scienziati dei materiali della Dalian University of Technology di Dalian, in Cina, ha prodotto un elettrocatalizzatore, o un catalizzatore che utilizza l'elettricità, utilizzando materiali e metodi poco costosi per ridurre efficacemente l'energia richiesta per generare H2 pulito. dall'acqua. È importante sottolineare che la lega, o miscela, di siliciuro di ferrico-nichel (FeNiSi), riduce anche l'energia richiesta per generare O2 dall'acqua, rendendo il catalizzatore bifunzionale.
I ricercatori hanno pubblicato il loro studio su Nano Research Energy .
"Ciò che realmente limita lo sviluppo e l'applicazione pratica della tecnologia dell'elettrolisi dell'acqua sono i materiali elettrocatalitici. Attualmente, i catalizzatori comuni, come i metalli preziosi... sono per lo più catalizzatori a funzione singola, il che limita l'applicazione pratica dell'elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno. Pertanto, il la ricerca e lo sviluppo di materiali elettrocatalitici bifunzionali efficienti, stabili, economici ed ecologici è un obiettivo primario nel campo dell'elettrocatalisi", ha affermato Yifu Zhang, autore senior dello studio e ricercatore presso la Scuola di Chimica dell'Università di Tecnologia di Dalian.
Le leghe di siliciuro di metalli di transizione sono composti unici comunemente utilizzati nei settori legati all'energia, sono prodotti a basso costo e si dimostrano promettenti come potenziali elettrocatalizzatori per l'idrolisi dell'acqua. Queste leghe sono costituite da metalli di transizione, che sono eccellenti catalizzatori che donano e accettano liberamente elettroni nelle reazioni chimiche, e atomi di Si, che migliorano la stabilità, la resistenza al calore e l'accessibilità degli atomi dei metalli di transizione della lega quando viene applicata l'elettricità.
Fe e Ni, due metalli di transizione, sono particolarmente adatti per l'uso in un siliciuro di metallo di transizione per la scissione dell'acqua. "Il siliciuro di nichel è stato... approfonditamente studiato per la sua bassa resistenza e l'elevata attività metallica, soprattutto... in campi elettrochimici. Inoltre, molti studi recenti hanno dimostrato che i materiali a base di Fe-Ni hanno un notevole potenziale nel campo della scissione elettrochimica dell'acqua. L'obiettivo parte di questo lavoro consisteva nello sviluppare un percorso a basso costo e rispettoso dell'ambiente per preparare il siliciuro di ferro e nichel come catalizzatore elettrolitico bifunzionale dell'acqua (EWS)", ha affermato Zhang.
Il gruppo di ricerca ha prodotto FeNiSi in due fasi. Innanzitutto, la magadiite di argilla naturale, una fonte di silicio, cloruro di ferro e cloruro di nichel, è stata riscaldata sotto pressione per creare un silicato ferrico-nichel. Il silicato ferrico-nichel è stato quindi combinato e riscaldato con magnesio e cloruro di sodio (sale da cucina) per sviluppare la struttura ordinata della lega FeNiSi. È importante sottolineare che questa era la prima volta che una lega di siliciuro metallico veniva prodotta utilizzando questo tipo di reazione chimica utilizzando silicati metallici come materiale di reazione.
La microscopia elettronica e le tecniche di caratterizzazione a raggi X hanno rivelato che il processo di produzione ha creato molte strutture di pori nella lega FeNiSi finale, aumentandone l'area superficiale e le prestazioni elettrocatalitiche complessive. La lega FeNiSi riduce il potenziale richiesto per separare l'ossigeno e l'idrogeno dall'acqua rispettivamente di 308 mV per la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e 386 mV per HER, a una corrente di 10 mA·cm −2 . L'elettrocatalizzatore ha inoltre dimostrato una durata sufficiente dopo 15 ore di utilizzo.
Il team di ricerca attende con impazienza che FeNiSi e altri silicati di metalli di transizione contribuiscano alla sintesi di idrogeno gassoso pulito per le future esigenze energetiche.
"Questo lavoro non solo fornisce un metodo semplice per la sintesi del siliciuro intermetallico con notevoli strutture porose, ma consente anche di considerare il siliciuro intermetallico come un elettrocatalizzatore bifunzionale per EWS. Elettrocatalizzatori di siliciuro intermetallico economici ed efficienti forniranno nuove opportunità per... rinnovabili conversione dell'energia", ha detto Zhang.
Altri contributori includono Xuyang Jing, Yang Mu, Zhanming Gao e Xueying Dong della Scuola di Chimica dell'Università di Tecnologia di Dalian a Dalian, in Cina; Changgong Meng della Scuola di Chimica e della Facoltà di Ingegneria Chimica e Ambientale dell'Università di Tecnologia di Dalian; e Chi Huang del College of Chemistry and Molecular Sciences dell'Università di Wuhan a Wuhan, in Cina.
Ulteriori informazioni: Xuyang Jing et al, lega intermetallica di siliciuro di nichel ferrico derivata dalla magadiite mediante reazione magnesiotermica come elettrocatalizzatore bifunzionale per la scissione complessiva dell'acqua, Nano Research Energy (2023). DOI:10.26599/NRE.2023.9120104
Fornito dalla Tsinghua University Press
