Юта Эль-Пасо

Исследователи под руководством инженеров Техасского университета в Эль-Пасо (UTEP) предложили недорогой материал на основе никеля, вдохновленный кактусом, который поможет более дешево и эффективно расщеплять воду. Материал описан в статье в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Современные методы электролиза для разделения воды в значительной степени полагаются на платину в качестве катализатора, которая очень дорогая и просто невозможна для использования в больших масштабах из-за ее цены, сказал профессор машиностроения UTEP Рамана Чинталапалле, доктор философии, который руководил исследованием. .

Ведущий автор Навид Аттарзаде впервые заметил кактус опунцию, когда шел в лабораторию Центра перспективных исследований материалов UTEP. Команда изучала никель в качестве каталитической замены платины — металла, которого много на Земле и который в 1000 раз дешевле платины. Однако никель не так быстро и эффективно расщепляет воду на водород.

Каждый день я проходил мимо одного и того же завода. И я начал связывать это с нашей проблемой с катализатором. Что привлекло мое внимание, так это то, насколько большими были листья и плоды по сравнению с другими пустынными растениями; опунция имеет необычайную площадь поверхности.

Аттарзаде задался вопросом, что, если они спроектируют трехмерный катализатор на основе никеля в форме кактуса опунции? Большая площадь поверхности может обеспечить большее количество электрохимических реакций, создавая больше водорода, чем обычно может никель.

Команда синтезировала трехмерную наноархитектуру из выровненных Ni5P4-Ni2P/NiS (пластины/нанолистов), используя процесс фосфосульфидирования.

Долговечность и уникальный дизайн кактуса опунции в условиях пустыни за счет адсорбции влаги через свою обширную поверхность и способность приносить плоды на краях листьев вдохновили это исследование на принятие аналогичной трехмерной архитектуры и использование ее для разработки эффективного гетероструктурного катализатора для активности HER. .

Катализатор состоит из двух отсеков вертикально ориентированных пластин Ni5P4-Ni2P и нанолистов NiS, напоминающих роль листьев и плодов в кактусе опунции. Пластины Ni5P4-Ni2P доставляют заряды в области интерфейса, а нанолисты NiS существенно влияют на Had и переносят электроны для активности HER. Действительно, синергетическое присутствие гетерограниц и эпитаксиальных нанолистов NiS может существенно улучшить каталитическую активность по сравнению с катализаторами на основе фосфида никеля.

Примечательно, что начальное перенапряжение наиболее модифицированных тройных катализаторов имеет (35 мВ) половину потенциала, необходимого для катализаторов на основе фосфида никеля. Этот перспективный катализатор демонстрирует перенапряжения 70 и 115 мВ для достижения плотностей тока 10 и 100 мА/см2 соответственно. Полученный тафелевский наклон составляет 50 мВ дек–1, а измеренная емкость двойного слоя методом циклической вольтамперометрии (ЦВ) для лучшего тройного электрокатализатора составляет 13,12 мФ см–2, что в 3 раза больше, чем у фосфидно-никелевого электрокатализатора.

Кроме того, электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС) при катодных потенциалах показывает, что наименьшее сопротивление переносу заряда связано с лучшим тройным электрокатализатором и находится в диапазоне от 430 до 1,75 Ом · см–2. Это улучшение можно объяснить ускорением обмена электронов на границах раздела. Наши результаты показывают, что эпитаксиальные нанолисты NiS расширяют активную площадь каталитической поверхности и одновременно повышают собственную каталитическую активность за счет введения гетерограниц, что приводит к размещению большего количества Had на границах раздела.

Исследовательский проект был поддержан грантом программы Партнерства в области исследований и образования в области материалов (PREM) Национального научного фонда.

Ресурсы

Навид Аттарзаде, Дебабрата Дас, Шриджа Н. Чинталапалле, Сушэн Тан, В. Шуттанандан и К.В. Рамана (2023) «Вдохновленный природой дизайн массивов Ni5P4-Ni2P/NiS с наноархитектурой для повышения электрокаталитической активности реакции выделения водорода ( HER)» ACS Applied Materials & Interfaces 15 (18), 22036-22050 doi: 10.1021/acsami.3c00781