Die Wasserstoffproduktion wurde durch Nanonadel-Innovation verbessert

Jan 29, 2024

Eine kostengünstige und effiziente Wasserstoffproduktion ist entscheidend, um den Übergang zu sauberer Energie zu erleichtern.

Die aktuelle Methode zur Herstellung von grünem Wasserstoff ist die elektrochemische Wasserspaltung. Bei diesem Prozess wird Wasser mithilfe eines Elektrokatalysators in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Allerdings basieren Elektrokatalysatoren auf teuren Elementen wie Platin. Dies macht es schwierig, diese Technologie in großem Umfang kommerziell anzuwenden.

Jetzt haben Forscher gezeigt, dass die Zugabe von Molybdän zu einem Nickel-Kobaltphosphid-Katalysator und dessen Synthese mit einem hydrothermischen Gradientenprozess eine einzigartige Mikrostruktur erzeugt. Diese Mikrostruktur verbesserte die Leistung des Katalysators und führte zu einem Prozess, der besser für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab anwendbar ist.

Der Artikel „Hocheffizienter und stabiler Elektrokatalysator für die Wasserstoffentwicklung durch molybdändotierte Ni-Co-Phosphid-Nanonadeln bei hoher Stromdichte“ wurde in Nano Research veröffentlicht.

„Die innovative Kombination von Gradienten-Hydrothermal- und Phosphidierungsprozessen bildet eine Mikrosphärenstruktur“, sagte Yufeng Zhao, Professor am College of Sciences & Institute for Sustainable Energy der Shanghai University in Shanghai, China.

„Diese Nanopartikel mit einem Durchmesser von etwa fünf bis zehn Nanometern bilden Nanonadeln, die sich anschließend selbst zu einer kugelförmigen Struktur zusammenfügen. Die Nanonadeln bieten reichlich aktive Stellen für einen effizienten Elektronentransfer und das Vorhandensein kleiner Partikel und Mikrorauheit fördert die Freisetzung von Wasserstoffblasen.“

Die Mikrostruktur erzeugten die Forscher durch Elementdotierung. Bei dieser Technik werden einem Katalysator absichtlich Verunreinigungen zugesetzt, um seine Aktivität zu verbessern.

In der Studie wurde Molybdän (Mo) dem bimetallischen Nickel-Kobalt-Phosphid (Ni-Co) (P) zugesetzt. Die Art und Weise, wie die Kobalt- und Nickelionen interagieren, verleiht Ni-Co-Phosphiden bereits eine außergewöhnliche elektrokatalytische Leistung.

Nach Zugabe des Molybdäns und Anwendung eines hydrothermischen Gradientenverfahrens wurde das Mo-dotierte Ni-CoP auf einem Nickelschaum abgeschieden.

Auf dem Phosphid entstand dann die einzigartige Mikrostruktur der Nanonadeln.

„Die Dotierung mit Spuren von Molybdän optimiert die elektronische Struktur und erhöht die Anzahl der elektroaktiven Stellen“, sagte Zhao.

Das Team testete den Mo-dotierten Ni-CoP-Katalysator auf Zuverlässigkeit, Stabilität und Leistung. Sie fanden heraus, dass die Dichte nach 100 Stunden nahezu konstant blieb und die Struktur gut erhalten blieb.

Dies liegt an der einzigartigen Struktur der Nanonadeln, die verhindert, dass der Katalysator bei der Ansammlung von Wasserstoff kollabiert. Ihre Berechnungen zeigten auch, dass der Katalysator die Wasserstoffproduktion außerordentlich effizient ermöglichte.

Mit Blick auf die Zukunft hofft das Team, die Leistung der Reaktion in verschiedenen Lösungen testen zu können.

Zukünftige Studien werden auch nach Alternativen zu Nickelschaum wie Titannetzen suchen, die über den gesamten pH-Bereich einsetzbar sind.

„In zukünftigen Arbeiten empfehlen wir, die Anwendung des Katalysators bei der Oxidations-unterstützten Wasserstoffproduktion kleiner Moleküle wie Harnstoff zu untersuchen. Dieser Ansatz würde das Überpotential der Wasserelektrolyse verringern und die Umweltverschmutzung durch Harnstoffabwasser verringern“, sagte Zhao.

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