Un equipo de investigación dirigido por el profesor Sangaraju Shanmugam de Ciencias e Ingeniería de la Energía en DGIST ha desarrollado electrocatalizador nanoestructurado de núcleo-capa ultraduradero y reemplazó con éxito el precioso ánodo en la electrólisis del agua, a través de la colaboración con el grupo de investigación del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL).

La sustitución de combustibles convencionales por recursos energéticos renovables es un enfoque adecuado para lograr un medio ambiente ecológico y disminuir las futuras demandas de energía. Por lo tanto, generación o conversión de energía electroquímica en dispositivos de energía renovable, que depende de las reacciones del ánodo y del cátodo, ha recibido mucha atención.

En la división de agua electrocatalítica, El gas de oxígeno se genera en el ánodo debido a la reacción de desprendimiento de oxígeno (REA), una reacción electroquímica lenta en comparación con la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER). Por lo tanto, se necesita un electrocatalizador adecuado para una división electrocatalítica estable del agua.

Desarrollo de eficientes, durable, Los electrocatalizadores REA de bajo costo son importantes para los dispositivos de energía de electrolizadores de agua. Hasta ahora, los óxidos de rutenio e iridio se consideraron electrocatalizadores de última generación en los REA, pero la falta de estabilidad limita su uso en la división de agua a gran escala, obstaculizar la comercialización generalizada.

El equipo del profesor Shanmugam, junto con investigadores de PNNL, se han centrado en desarrollar una alternativa de bajo costo, electrocatalizador de metal no noble para reemplazar el electrodo de ánodo de metal noble en una división de agua eficiente. El metal con soporte de carbono se considera un material electrocatalítico eficiente para mejorar los REA en la división del agua. Hasta aquí, la mayoría de los electrocatalizadores desarrollados han presentado un mayor contenido de carbono y menos contenido especioso de metales activos. La mayor cantidad de carbono empantanó los sitios activos de metales reales, y resultó en condiciones de corrosión por carbono más rápidas. Esto condujo a una menor actividad electrocatalítica.

En el estudio, Los investigadores encontraron que una gran cantidad de iones metálicos de cobalto inorgánicos unidos por ligandos orgánicos en el azul de Prusia son un precursor adecuado para desarrollar ultraestables, rico en metales, Electrocatalizadores core-shell encapsulados con nanocarbono grafítico dopado con nitrógeno para la lenta separación de OER (ánodo) en agua.

Cuando se calienta (600 a 900 grados C) en una atmósfera inerte, los iones de metal cobalto y los ligandos orgánicos en la sal se transforman en capas delgadas de carbón grafítico dopado con nitrógeno y metal cobalto, respectivamente, que forman la fina capa de carbono, metálico encapsulado, nanoestructuras núcleo-capa de cobalto (Core-Shell Co @ NC). Las delgadas capas de carbono tienen una fuerte interacción con el cobalto metálico, que promueven menos corrosión por carbono, exhiben un excelente movimiento de electrones, y tienen más exposición al metal cobalto al medio de reacción, incluida la formación de morfología de tamaño nanométrico sin agregación de partículas.

El efecto combinado del carbono y el cobalto en los electrodos logra una actividad REA electrocatalítica más eficiente que los electrodos de metales preciosos para una división eficiente del agua. Por lo tanto, el electrodo rico en metales no nobles es una alternativa, activo, estable, y ánodo OER menos costoso para la producción rentable de gas H2 en electrólisis de agua a escala comercial.

"Anticipamos que este será un enfoque único para desarrollar productos ricos en metales, nanoestructuras compuestas de carbono reducido que tienen sitios activos metálicos mejorados, que cuentan con una capa fina de protección de carbono y un movimiento de electrones ultrarrápido en la superficie del catalizador, que mejorará la actividad electroquímica y la estabilidad de los electrocatalizadores, ", dice el profesor Shanmugam." Realizaremos los estudios de seguimiento que se pueden utilizar para comprender el mecanismo real de REA en las especies activas en presencia de recubrimiento de nanocarbono ".

Este resultado de la investigación se publicó en la edición en línea de Materiales energéticos avanzados el 11 de enero de 2018, una revista internacional de renombre en el campo de los materiales emergentes.

Entrevista con el profesor Sangaraju Shanmugam (Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Energía):

P. ¿Cuáles son las diferencias en comparación con estudios anteriores?

A. En los estudios anteriores, los investigadores prepararon los metales recubiertos de carbono a partir de varios precursores, incluidas las estructuras metalorgánicas (MOF). Los catalizadores obtenidos exhiben más carbono con naturaleza grafítica reducida, y el carbono cubrió los sitios metálicos activos. Por lo tanto, la mayoría de los sitios metálicos activos no se utilizan adecuadamente por las reacciones electroquímicas. También, debido a la importante corrosión del carbono, esos catalizadores no son lo suficientemente adecuados para los REA lentos en el agua que se divide en el potencial positivo más alto con falta de inestabilidad en las duras condiciones de los electrolitos. Respectivamente, en este trabajo, preparamos los ricos en metales, Capas delgadas de nanocarbono (NC) encapsulan electrocatalizador de nanoestructuras de Co @ NC núcleo-capa a partir de un análogo precursor único del azul de Prusia (PB). El Co @ NC mostró una actividad mejorada de evolución de oxígeno y ultraestabilidad en el colector de corriente de espuma de níquel. En general, las capas de carbono delgadas y uniformes proporcionan los movimientos rápidos de los electrones, más utilización de sitios activos de metales con fácil penetración de electrolitos. Más importante, Puede proteger los sitios metálicos activos de la corrosión con una exposición mínima y también la fuerte interacción entre las capas de metal y carbono exhibe el efecto sinérgico hacia la excelente actividad y ultraestabilidad (más de 350 h) de nanoestructuras de Co @ NC núcleo-capa con menos posibilidad de oxidación del carbono.

P. ¿Cómo se puede utilizar?

A. Basado en el notable desempeño de los REA, cinética y estabilidad a largo plazo de las nanoestructuras core-shell Co @ NC en comparación con los electrocatalizadores de última generación basados ​​en metales nobles, como IrO2 y RuO2, it is the most suitable candidate to replace precious metal OER electrodes for reducing the overall cost of the water electrolyzer system. Por lo tanto, the development of efficient and durable non-noble metal electrocatalyst in water electrolyzer is the main obstacle for successful commercialization of water electrolyzers.

Q. How long will it be required for commercialization?

A. The process is readily available for the fabrication of cost-effective catalysts. But we still have to evaluate the integration of this catalytic system in a polymer electrolyte membrane electrolyzer .Studies are underway to understand the OER mechanism on this electrocatalyst. So for commercialization, it may require a year with complete understanding of activity and stability.

Q. What are the challenges for commercialization?

A. We have to make the uniform coating of this catalyst on the larger size current collectors without any peeling. So we need to find a more suitable coating methodology. También, as with precious OER electrocatalysts, we have to understand the precise OER mechanism on this electrocatalysts to maintain/avoid activity losses due to the unwanted side reactions, etc.

Q. What is the motivation for your research?

A. The primary motivation of this work is to replace the precious anode in water electrolyzer systems with high activity and stability. So to improve the activity and stability, we tried to introduce the very thin carbon coating on the metal active sites. En general, the development metal-rich and carbon less OER electrocatalysts with proper utilization of metal-active species and metal-carbon synergistic effect to overcome the sluggish anode reaction in water electrolysis.

Q. What is the final goal you would like to achieve through this research?

A. Based on this research, we understand that the metal-rich electrocatalysts are among the most suitable materials for excellent OER activity. So we want to prepare the cheapest anode electrocatalysts by using the same methodology and eliminate the use of precious electrodes in the water electrolyzer system for the production of green and sustainable hydrogen in large scale.