Gas vodonika je čista, obnovljiva alternativa fosilnim gorivima, ali trenutne industrijske proizvodne metode koje se koriste za proizvodnju vodonika oslobađaju ugljenik u atmosferu i zagađuju životnu sredinu.
Novi katalizator, ugljenično jedinjenje nikl-gvožđe-molibden-fosfid usidren na peni nikla (NiFeMo-P-C), značajno je smanjio količinu električne energije koja je potrebna za generisanje vodonika i kiseonika iz vode, obezbeđujući čisto i efikasno sredstvo za proizvodnju gasovitog vodonika.
Tim vodećih hemijskih inženjera sintetizovao je ekonomičan i lako proizveden katalizator dizajniran da smanji količinu energije potrebne za elektrolizu vode, koja deli molekule vode na vodonik i kiseonik koristeći električnu energiju.
Vodonik i gas kiseonika se odvajaju od vode kroz reakciju evolucije vodonika (HER) i reakciju evolucije kiseonika (OER), respektivno. Legura prelaznog metala, ili smeša koja sadrži najmanje jedan metal, nikl-gvožđe-molibden (NiFeMo) korišćena je kao katalizator za elektrolizu vode zbog nepotpunog punjenja elektronskih orbitala u atomima prelaznog metala nikla i gvožđa, što ga čini idealnim elektronom. donor i akceptor u hemijskim reakcijama. Fosfid je dodat katalizatoru da bi se poboljšala otpornost na koroziju u alkalnom ili bazičnom pH rastvoru elektrolita.
Tim je objavio rezultate svoje studije u Nano Research Energi 7. jula.
„Vodonik je prepoznat kao najidealnija alternativa fosilnim gorivima zbog svoje velike… gustine energije, visoke efikasnosti konverzije toplote i nulte emisije ugljenika. Međutim, uobičajene metode proizvodnje vodonika u industriji, uključujući parno reformisanje prirodnog gasa i metanola i gasifikaciju ugalj, troše fosilna goriva i izazivaju ozbiljno zagađenje životne sredine“, rekao je Jingjing Tang, supervizor studije i vanredni profesor na Univerzitetu Central South u Čangši, Kina.
„Elektroliza vode uzima vodu kao sirovinu za proizvodnju vodonika visoke čistoće pretvaranjem električne energije u hemijsku energiju, što je čista i obećavajuća tehnologija proizvodnje vodonika“, rekao je Tang.
Katalizatori koji su se koristili za smanjenje energije potrebne i za HER i za OER postojali su ranije, ali su koristili platinu i iridijum oksid, vredne elemente koji su i skupi i u nedostatku. Stvaranje pristupačnog katalizatora koji smanjuje energiju aktivacije obe reakcije smanjuje ukupne troškove proizvodnje i poboljšava komercijalnu održivost proizvodnje čistog vodoničnog gasa.
Jedan izazov u dizajniranju bifunkcionalnog katalizatora bili su posebni zahtevi OER-a. „Pošto je OER reakcija prenosa od četiri elektrona sa sporom kinetikom, [on] generalno radi bolje u alkalnom rastvoru. Bilo je kritično za istraživanje neplemenitih elektrokatalizatora na bazi metala sa odličnim bifunkcionalnim performansama u [an] alkalnom elektrolitu“, rekao je Tang. Tim je stvorio leguru i metalni fosfid da bi održao integritet katalizatora u ovim alkalnim uslovima.
Da bi testirali sastav i valentno stanje generisanog NiFeMo-P-C katalizatora, tim je podvrgnuo jedinjenje merenju rendgenske fotoelektronske spektroskopije (KSPS) kako bi se potvrdilo prisustvo Ni, Fe, Mo, P, C i O. Visoko- Rezolucioni spektar nikla je takođe identifikovao 2p3/2 i 2p1/2 spin orbite, što se odnosi na stanje elektrona u atomima nikla katalizatora.
Sve u svemu, novorazvijeni NiFeMo-P-C elektrokatalizator zahteva veoma niske prepotencijale, ili energiju potrebnu za cepanje vode, za HER (87 mV za postizanje gustine struje od 10 mA·cm –2) i OER (196 mV za postizanje gustine struje od 10 mA·cm –2). Napon ćelije, ili razlika u naponu između dve elektrode, potrebna za elektrolizu vode pomoću katalizatora je takođe samo 1,50 V na 10 mA·cm –2.
Tim je optimističan da će njihovo otkriće učiniti proizvodnju čistog vodonika stvarnošću. „Za razliku od većine bifunkcionalnih katalizatora, NiFeMo-P-C može postići odlične katalitičke performanse bez komplikovanih koraka pripreme i razrađenih nanostruktura. Osim toga, superiorna izdržljivost bez ikakvog slabljenja [napona] u roku od 50 sati… čini NiFeMo-P-C idealnim [neplemenitim metalom katalizator] kandidat… za proizvodnju vodonika velikih razmera“, rekao je Tang.
