Az elektrokatalizátorok olyan anyagok, amelyek felgyorsítják az elektrokémiai cellákban zajló kémiai reakciókat. Számos energiaátalakító és -tárolási technológia, például üzemanyagcellák, akkumulátorok és elektrolizátorok kulcsfontosságú összetevői, mivel javítják e rendszerek hatékonyságát és stabilitását.
Az elektrolízis versenyképessé tétele.
Az éghajlatváltozás elleni küzdelemben a CO2-kibocsátás csökkentése kulcsfontosságú. Jelenleg az olajból és földgázból előállított szürke hidrogént széles körben használják, de folynak az erőfeszítések a megújuló forrásokból előállított zöld hidrogénnel való helyettesítésére. A zöld hidrogént elektrolízissel állítják elő, amely folyamat során az elektromosság a vizet hidrogénre és oxigénre hasítja. A benne rejlő lehetőségek ellenére számos kihívást le kell küzdeni ahhoz, hogy az elektrolízis életképes megoldás legyen.
Jelenleg a vízhasítási eljárás csak korlátozottan hatékony, ehhez nincs elég erős, tartós és költséghatékony katalizátor.
„Jelenleg a legaktívabb elektrokatalizátorok a ritka és drága nemesfémeken, az irídiumon, ruténiumon és platinán alapulnak” – sorolja Kristina Tschulik. „Kutatóként ezért az a feladatunk, hogy új, nagy aktivitású, nemesfémektől mentes elektrokatalizátorokat fejlesszünk ki.”
Kutatócsoportja katalizátorokat tanulmányoz olyan nem nemesfém-oxid nanorészecskék formájában, amelyek milliószor kisebbek az emberi hajszálnál. Ipari méretekben gyártják, alakjuk, méretük és kémiai összetételük eltérő.
Kristina Tschulik (balra) és Hatem Amin nanorészecskéket vizsgál a zöld hidrogén katalizátoraként. Hitel: © RUB, Marquard
„Mérésekkel vizsgáljuk az úgynevezett katalizátorfestékeket, amelyekben részecskék milliárdjai keverednek kötőanyagokkal és adalékanyagokkal” – vázolja Kristina Tschulik. Ezzel a módszerrel a kutatók csak átlagos teljesítményt mérhetnek, de az egyes részecskék aktivitását nem – ez az, ami igazán számít.
„Ha tudnánk, hogy melyik részecskeforma vagy kristályfelület – a kifelé mutató felületek – a legaktívabb, akkor pontosan ilyen alakú részecskéket tudnánk előállítani” – mondja Dr. Hatem Amin, az analitikai kémia posztdoktori kutatója. Ruhr Egyetem Bochum.
A nanorészecske verseny győztese
A kutatócsoport kidolgozott egy módszert az egyes részecskék közvetlen oldatban történő elemzésére. Ez lehetővé teszi számukra, hogy összehasonlítsák a különböző nanoanyagok aktivitását egymással, hogy megértsék a részecskék tulajdonságainak, például alakjuk és összetételük vízhasadásra gyakorolt hatását. "Eredményeink azt mutatják, hogy a kobalt-oxid részecskék egyedi kockák formájában aktívabbak, mint a gömbök, mivel az utóbbiaknak mindig van több más, kevésbé aktív oldala is."
Az elmélet megerősíti a kísérletet
A Bochum-csoport kísérleti eredményeit a Collaborative Research Centre/Transregio 247 részeként Rossitza Pentcheva professzor vezette együttműködő partnerei is megerősítették a Duisburg-Esseni Egyetemről. Ez utóbbi elméleti elemzései az aktív katalizátor régiók megváltozását jelzik, nevezetesen a kobalttól. az oktaédert alkotó oxigénatomokkal körülvett atomoktól a tetraéderrel körülvett kobaltatomokig.
„A részecskék alakja és aktivitása közötti összefüggésbe való betekintésünk megalapozza az életképes katalizátoranyagok tudásalapú tervezését, és ennek következtében fosszilis energia- és vegyiparunk körforgásossá alakítását. gazdaság megújuló energiaforrásokon és rendkívül aktív, hosszú élettartamú katalizátorokon alapul” – összegzi Kristina Tschulik.
Hivatkozás: „Egyetlen Co3O4-nanorészecskék oldalfüggő belső aktivitása az oxigénfejlődési reakcióhoz (Adv. Funct. Mater. 1/2023)”, Zhibin Liu, Hatem MA Amin, Yuman Peng, Manuel Corva, Rossitza Pentcheva és Kristina3 Tsch 2023, Fejlett funkcionális anyagok.
DOI: 10.1002/adfm.202370006
