Elektrokatalitičko cepanje vode, proces koji podrazumeva razlaganje vode na vodonik i kiseonik, je obećavajući pristup za proizvodnju čistog vodonika za gorivne ćelije, koji bi se zauzvrat mogao koristiti za pogon velikih električnih vozila. Do sada je upotreba ovog procesa u stvarnom svetu bila ograničena sporom kinetikom reakcije evolucije kiseonika (OER), ključne hemijske reakcije koja se odvija na anodi.
Istraživači sa Maks-Planck-Instituta za hemijsku fiziku čvrstih tela, Vajcmanovog instituta za nauku i drugih instituta nedavno su uveli inovativni pristup za ubrzavanje ove reakcije, koristeći topološke hiralne polumetale kao elektrokatalizatore.
Njihovi nalazi, objavljeni u Nature Energy, pokazuju da se spin-orbitna sprega (SOC) svojstvena ovim materijalima može iskoristiti da se poveća aktivnost OER-a, olakšavajući efikasnije elektrokatalitičko razdvajanje vode.
„Naše istraživanje je bilo vođeno hitnom potrebom za čistim i održivim energetskim rešenjima“, rekao je Ksia Vang, prvi autor rada, za Tech Ksplore.
„Konkretno, imali smo za cilj da se pozabavimo izazovom poboljšanja elektrokatalitičkog cepanja vode za proizvodnju vodonika, sa fokusom na OER, kritični korak koji često ometa spora kinetika. Inspiracija je došla iz karakterističnih svojstava transporta elektrona topoloških hiralnih polumetala, koji su ponudili obećavajući put za rešavanje ograničenja tradicionalnih katalizatora.“
Ključni cilj nedavne studije Vang i njenih kolega bio je da se iskoriste kvantne osobine topoloških hiralnih polumetala kako bi se poboljšala efikasnost OER-a. Da bi ovo postigao, tim je prvo sintetizovao seriju topoloških hiralnih polumetala zasnovanih na Rh sa različitim snagama SOC, uključujući RhSi, RhSn i RhBiS.
„Ovi materijali imaju i visoko uređenu geometrijsku kiralnost i elektronsku kiralnost, što omogućava stvaranje spin-polarizovanih nosača kritičnih za povećanje katalitičke aktivnosti“, objasnio je Vang.
„Upoređujući njihove performanse sa ahiralnim referentnim materijalima, pokazali smo da hiralni kristali značajno nadmašuju najsavremenije katalizatore, kao što je RuO 2, postižući do dva reda veličine veću specifičnu aktivnost u alkalnim elektrolitima.“
Rezultati koje su prikupili Vang i njene kolege otkrivaju direktnu vezu između snage SOC u topološkim hiralnim polumetalima, polarizacije spinova i katalitičke aktivnosti materijala. Ovaj važan nalaz mogao bi da vodi budući dizajn elektrokatalizatora za cepanje vode, što bi dovelo do identifikacije topoloških materijala koji rezultiraju optimalnom OER aktivnošću.
„Najznačajnije dostignuće naše studije je eksperimentalna validacija direktne veze između SOC i OER performansi, uspostavljajući robusni princip dizajna za katalizatore zavisne od spina“, rekao je Vang. „Među materijalima koje smo proučavali, RhBiS se pojavio kao izuzetan izvođač, pokazujući izuzetnu OER aktivnost, sa specifičnom aktivnošću koja je daleko veća od one kod konvencionalnih katalizatora.
Nedavni rad ovog tima istraživača mogao bi na kraju pomoći da se ubrza razvoj naprednih tehnologija za cepanje vode. Ovo bi zauzvrat moglo da olakša usvajanje energetskih rešenja zasnovanih na zelenom vodoniku, uključujući gorivne ćelije za pogon električnih aviona, kamiona i drugih velikih vozila.
„Ovaj rad postavlja osnovu za korišćenje spin-orbitnog spajanja kao alata za dizajniranje efikasnijih topoloških katalizatora“, rekla je prof. Maggie Lingerfelder sa EPFL-a, koja je stručnjak za ovu oblast.
„Po mom mišljenju, spajanje spin orbite je nedovoljno istražen aspekt u dizajnu selektivnih katalizatora, ali bi moglo potencijalno objasniti čak i zašto Pt pokazuje tako raznovrsno katalitičko ponašanje u različitim reakcijama. Ovaj rad otvara uzbudljive puteve za buduća istraživanja, jer donosi zajednica fizike čvrstog stanja bliže primeni hiralnih topoloških materijala u hemiji kontrolisanoj spinom.“
U svojim sledećim studijama, Vang i njene kolege planiraju da nadograde svoje nalaze, proširujući svoja istraživanja na druge topološke materijale sa različitim elektronskim i magnetnim svojstvima. Ovo bi im moglo omogućiti da dalje optimizuju generisanje spin-polarizovanih nosača.
„Takođe planiramo da se fokusiramo na aplikacije u stvarnom svetu razvojem skalabilnih, isplativih katalizatora i procenom njihovih performansi u industrijski relevantnim okruženjima“, dodao je Vang.
„Premošćivanjem jaza između fundamentalnih istraživanja i praktične primene, nadamo se da ćemo značajno doprineti unapređenju tehnologija održive energije.“
