Essendo un combustibile combustibile, la combustione del gas idrogeno non contribuisce al riscaldamento globale. Oggi, tuttavia, la maggior parte del gas idrogeno viene generato da combustibili fossili e questo processo rilascia gas serra nell’atmosfera. La generazione di gas idrogeno da fonti pulite, come la scissione delle molecole d'acqua con l'elettricità attraverso l'elettrolisi, è importante per raggiungere la futura neutralità del carbonio, ma i metodi attuali sono inefficienti e limitano la praticità commerciale delle tecnologie basate sull'idrogeno.
Un nuovo elettrocatalizzatore sfrutta l'attività elettrochimica, l'area superficiale di reazione e la durabilità migliorate per migliorare l'efficienza della produzione di gas idrogeno tramite elettrolisi.
I ricercatori del Center of Excellence for NaNo Energy &Catalysis Technology (CONNECT), Università di Xiamen in Malesia, hanno sintetizzato e caratterizzato un elettrocatalizzatore ad acqua efficiente e durevole composto dal dicalcogenuro disolfuro di tungsteno del metallo di transizione (WS2 ), un materiale bidimensionale con proprietà semiconduttrici, che funziona come accettore o donatore di elettroni nella reazione di elettrolisi.
L'elettrocatalizzatore, WS2 /N-rGO/CC, viene creato su un tessuto di carbonio (CC) legato a ossido di grafene ridotto (rGO), un semiconduttore reticolare bidimensionale, combinato con una piccolissima quantità di azoto (N) per alterare le proprietà di il semiconduttore di ossido di grafene ridotto. Una reazione idrotermale converte WS2 bidimensionale in strutture microscopiche tridimensionali simili a fiori chiamate nanofiori che aumentano la superficie dell'elettrocatalizzatore per migliorare l'efficienza della reazione.
Il team ha pubblicato i risultati sulla rivista Nano Research .
"La sintesi di un elettrodo autoportante per la reazione di evoluzione dell'idrogeno nell'idrolisi dell'acqua è cruciale perché affronta una sfida fondamentale nella produzione di energia pulita. I metodi tradizionali spesso si basano su catalizzatori e supporti costosi, che possono limitare l'efficienza e la scalabilità della produzione di idrogeno. Il nostro Il nostro lavoro rappresenta un progresso significativo creando un elettrodo autosupportato che non solo migliora l'attività elettrocatalitica, ma offre anche una soluzione economica e sostenibile per la generazione di idrogeno", ha affermato Feng Ming Yap, autore principale dell'articolo e studente laureato presso Scuola di Ingegneria Energetica e Chimica presso l'Università di Xiamen Malesia a Selangor Darul Ehsan, Malesia.
Poiché la specie attiva dell'elettrocatalizzatore, il disolfuro di tungsteno, è direttamente incorporata nei materiali conduttivi dell'elettrodo, WS2 /N-rGO/CC è considerato un elettrodo autosupportato. Nell'elettrocatalizzatore sintetizzato non sono presenti leganti polimerici o additivi per mascherare i siti attivi del catalizzatore o diminuire la conduttanza elettronica, massimizzando l'efficienza della reazione.
Il gruppo di ricerca ha sperimentato l'incorporazione di varie quantità di dimetilformammide (DMF) nella reazione di sintesi idrotermale finale per determinare la migliore concentrazione per la transizione di fase metallica 1T preferita di WS2 per l'elettrodo. L'elettrodo sviluppato utilizzando una concentrazione del 50% di DMF in acqua (50% WGC) durante l'ultima reazione idrotermale ha dimostrato caratteristiche superiori rispetto agli elettrodi sintetizzati utilizzando soluzioni di DMF allo 0, 25, 75 e 100%.
"Il nostro elettrodo può produrre idrogeno in modo efficiente in un'ampia gamma di condizioni di pH, rendendolo versatile e adattabile a varie applicazioni pratiche. È un passo verso una produzione di idrogeno sostenibile ed efficiente, essenziale per un futuro energetico più pulito", ha affermato Wee-Jun Ong, supervisore del progetto e professore associato presso la Scuola di Ingegneria Energetica e Chimica dell'Università di Xiamen, Malesia.
È importante sottolineare che l'elettrocatalizzatore WGC al 50% ha sovraperformato l'elettrocatalizzatore di riferimento in platino, Pt-C/CC al 20%, per l'HER sia in condizioni acide che basiche. Nello specifico, il 50% di WGC ha dimostrato un sovrapotenziale, o energia richiesta per dividere l'acqua, inferiore rispetto al 20% di Pt-C/CC. Il sovrapotenziale per il WGC al 50% era di 21,13 mV rispetto a 46,03 mV per il Pt-C/CC al 20%.
Il gruppo di ricerca ritiene che elettrocatalizzatori più efficienti in termini di costi ed energia, come il 50% WGS, siano fondamentali per raggiungere gli obiettivi mondiali di energia pulita. "Il nostro obiettivo è esplorare la scalabilità e l'implementazione pratica della nostra tecnologia di elettrodi autoportanti. Il nostro obiettivo finale è contribuire alla transizione verso un panorama energetico sostenibile, in cui l'idrogeno può svolgere un ruolo cruciale come fonte di energia pulita e rinnovabile", ha affermato Ong.
Allo studio ha contribuito anche Jian Yiing Loh della School of Energy and Chemical Engineering e del Centro di eccellenza per la tecnologia NaNo Energy &Catalysis (CONNECT) presso l’Università di Xiamen Malesia a Selangor Darul Ehsan, Malesia. Questa ricerca fa parte delle iniziative delle politiche nazionali in Malesia, vale a dire la National Energy Transition Roadmap (NETR) e la Hydrogen Economy and Technology Roadmap (HETR), per facilitare l'energia sostenibile della Malesia nei prossimi cinque anni.
Ulteriori informazioni: Feng Ming Yap et al, Integrazione sinergica di 1T/2H−WS2 autoportante e rGO drogato con azoto su tessuto di carbonio per l'evoluzione dell'idrogeno elettrocatalitico universale a pH, Nano Research (2023). DOI:10.1007/s12274-023-6118-8
Informazioni sul giornale: Ricerca sulla nanotecnologia
Fornito dalla Tsinghua University Press
