Katalizatori na bazi iridijuma su potrebni za proizvodnju vodonika pomoću vodene elektrolize. Sada je tim u HZB-u pokazao da je novorazvijeni P2Ks katalizator, koji zahteva samo četvrtinu iridija, efikasan i stabilan tokom vremena kao i najbolji komercijalni katalizator. Merenja na BESSI II su sada otkrila kako specijalno hemijsko okruženje u P2Ks katalizatoru tokom elektrolize promoviše reakciju evolucije kiseonika tokom cepanja vode.
U budućnosti će vodonik biti potreban u klimatski neutralnom energetskom sistemu za skladištenje energije, kao gorivo i sirovina za hemijsku industriju. U idealnom slučaju, trebalo bi da se proizvodi na klimatski neutralan način, koristeći električnu energiju proizvedenu korišćenjem energije sunca ili vetra, putem elektrolize vode.
U tom pogledu, elektroliza vode sa protonskom razmenom (PEM-VE) se trenutno smatra ključnom tehnologijom. Obe elektrode su obložene specijalnim elektrokatalizatorima da bi se ubrzala željena reakcija. Katalizatori na bazi iridijuma su najpogodniji za anodu, gde se javlja spora reakcija evolucije kiseonika. Međutim, iridijum je jedan od najređih elemenata na zemlji, a jedan od najvećih izazova je značajno smanjenje potražnje za ovim plemenitim metalom.
Gruba analiza je pokazala da da bi se zadovoljile svetske potrebe za vodonikom za transport korišćenjem PEM-VE tehnologije, anodni materijali na bazi iridijuma ne bi trebalo da sadrže više od 0,05 mg Ir/cm 2 . Trenutni, najbolji komercijalno dostupan katalizator napravljen od iridijum oksida sadrži oko 40 puta više od ove ciljne vrednosti.
Ali nove opcije su već u pripremi: U okviru projekta Kopernikus P2Ks, Heraeus Group je razvila novi efikasan nanokatalizator na bazi iridijuma, koji se sastoji od tankog sloja iridijum oksida nanesenog na nanostrukturiranu podlogu od titanijum dioksida. Takozvani „P2Ks katalizator“ zahteva samo izuzetno malu količinu iridijuma, što značajno smanjuje opterećenje plemenitih metala (četiri puta niže nego u trenutno najboljem komercijalnom materijalu).
Tim u HZB predvođen dr. Raulom Garcia-Diezom i prof. dr.-inž. Marcus Bar, zajedno sa kolegama iz ALBA sinhrotrona u Barseloni, proučavao je P2Ks katalizator, koji pokazuje izuzetnu stabilnost čak i u dugotrajnom radu, i uporedio je njegov katalitički i spektroskopski potpis sa referentnim komercijalnim kristalnim katalizatorom.
Rad je objavljen u časopisu ACS Catalisis.
HZB tim je temeljno istražio komercijalni referentni katalizator kao i P2Ks katalizator u BESSI II tokom elektrolize vode (operando merenja).
„Želeli smo da posmatramo kako se dva različita materijala katalizatora menjaju strukturno i elektronski tokom reakcije elektrohemijske evolucije kiseonika koristeći operando Ir L 3-ivicu rendgenske apsorpcione spektroskopije (KSAS)“, kaže Marijana van der Merve, istraživač u Barovom timu.
Takođe su razvili novi eksperimentalni protokol kako bi osigurali da se rezultati mere u oba uzorka pod potpuno istom stopom proizvodnje kiseonika. Ovo je omogućilo upoređivanje dva katalizatora pod ekvivalentnim uslovima.
„Iz podataka merenja, mogli smo da zaključimo da su mehanizmi za OER u dve klase katalizatora iridijum oksida različiti, a to je vođeno različitim hemijskim okruženjima dva materijala“, kaže van der Merve.
Podaci merenja takođe pokazuju zašto P2Ks katalizator radi čak i bolje u poređenju sa svojim kristalnijim merilom: u uzorku P2Ks, dužine veze između iridijuma i kiseonika smanjuju se znatno više nego u referentnom katalizatoru pri OER relevantnim potencijalima. Ovo smanjenje dužine Ir-O veze može se povezati sa učešćem defektnih sredina za koje se predlaže da su ključni igrači u visoko aktivnim putevima reakcije evolucije kiseonika.
„Pored toga, elektronska zapažanja stanja takođe su u korelaciji sa lokalnim geometrijskim informacijama“, ističe van der Merve.
„Naš rad pruža vredne ključne informacije o različitim mehanizmima elektrokatalizatora na bazi iridijum oksida tokom reakcije evolucije kiseonika i produbljuje naše razumevanje performansi i stabilnosti katalizatora, dok je naš novopredloženi in situ pristup spektroskopskog elektrohemijskog protokola generalno primenljiv na sve proučavane anodne materijale. pod relevantnim OER uslovima“.
