Ηλεκτροκαταλύτης με βάση το Ρουθήνιο για την παραγωγή αλκαλικού υδρογόνου

Ηλεκτροκαταλύτης με βάση το Ρουθήνιο για την παραγωγή αλκαλικού υδρογόνου
Credit: image Lu et al., Nature Communications

Ένας νέος καταλύτης με βάση το ρουθήνιο που αναπτύχθηκε στο UC Santa Cruz έχει δείξει αξιοσημείωτα καλύτερες επιδόσεις εν αντιθέσει με εκείνα της πλατίνας στον τομέα της ηλεκτρόλυσης αλκαλικού νερού για την παραγωγή υδρογόνου. Ο καταλύτης είναι ένα σύνθετο υλικό νανοδομής που αποτελείται από νανοσωλήνες άνθρακα με άτομα ρουθηνίου συνδεδεμένα με άζωτο και άνθρακα για να σχηματίσουν ενεργές θέσεις εντός της μήτρας του άνθρακα.

Η ηλεκτροχημική διάσπαση του νερού για την παραγωγή υδρογόνου είναι ένα κρίσιμο βήμα στην ανάπτυξη του υδρογόνου ως καθαρό καύσιμο που είναι φιλικό προς το περιβάλλον. Μεγάλο μέρος της προσπάθειας μείωσης του κόστους και αύξησης της αποτελεσματικότητας αυτής της διαδικασίας επικεντρώθηκε στην εξεύρεση εναλλακτικών λύσεων για τους ακριβούς καταλύτες με βάση την πλατίνα.

Στο UC Santa Cruz, μία ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Shaowei Chen, ο οποίος είναι καθηγητής χημείας και βιοχημείας, διερευνούν καταλύτες που κατασκευάζονται ενσωματώνοντας ρουθήνιο και άζωτο σε νανοσύνθετα υλικά με βάση τον άνθρακα.

Αυτά τα νέα ευρήματα, δημοσιεύθηκαν σήμερα (7 Φεβρουαρίου 2019) στο Nature Communications, και το σπουδαιότερο στοιχείο όλων των πραγμάτων είναι πως δεν αποδεικνύουν απλά την εντυπωσιακή απόδοση που έχει ένας καταλύτης με βάση το ρουθούνια, αλλά και γιατί παρέχει γνώσεις σχετικά με τους μηχανισμούς που εμπλέκονται, όπου φυσικά μπορεί να οδηγήσει σε περαιτέρω βελτιώσεις.

Ο Shaowei Chen δήλωσε: «Αυτή είναι μια σαφής απόδειξη ότι το ρουθήνιο μπορεί να έχει αξιοσημείωτη δραστηριότητα στην καταλυτική παραγωγή υδρογόνου από το νερό. Επίσης, χαρακτηρίσαμε το υλικό σε ατομική κλίμακα, το οποίο μας βοήθησε να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς, και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα αποτελέσματα για τον ορθολογικό σχεδιασμό και την κατασκευή των καταλυτών με βάση το ρουθήνιο».

Η ηλεκτρονική μικροσκοπία και η στοιχειακή ανάλυση χαρτογράφησης του υλικού έδειξαν νανοσωματίδια ρουθηνίου καθώς και μεμονωμένα άτομα ρουθηνίου εντός της μήτρας του άνθρακα. Παραδόξως, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι κύριες θέσεις της καταλυτικής δραστηριότητας ήταν απλά άτομα ρουθηνίου και όχι νανοσωματίδια ρουθηνίου.

Ο Bingzhang Lu, ένας άλλος ερευνητής από την ομάδα ανέφερε: «Τα αποτελέσματα της έρευνάς μας αποτελούν αδιαμφισβήτητα μια σημαντική ανακάλυψη, επειδή πολλές μελέτες έχουν αποδώσει την καταλυτική δραστηριότητα στα νανοσωματίδια του ρουθηνίου. Αντιθέτως εμείς βρήκαμε ότι τα μεμονωμένα άτομα είναι οι κυρίαρχες ενεργές θέσεις, αν και τόσο τα νανοσωματίδια, όσο και τα μεμονωμένα άτομα συμβάλλουν στη συγκεκριμένη δραστηριότητα»

Ο Bingzhang Lu συνεργάστηκε με έναν άλλο εξαίρετο συνάδελφο του που ονομάζεται Yuan Ping, ο οποίος είναι επίκουρος καθηγητής χημείας και βιοχημείας, για να κάνουν θεωρητικούς υπολογισμούς που δείχνουν γιατί τα μόρια ρουθηνίου είναι πιο ενεργά καταλυτικά κέντρα από τα νανοσωματίδια ρουθηνίου.

Ο Yuan Ping επισήμανε: «Κάναμε διάφορους υπολογισμούς για να δείξουμε πώς το ρουθήνιο σχηματίζει δεσμούς με άνθρακα και άζωτο σε αυτό το υλικό, και πως τελικά αυτό μειώνει το φράγμα αντίδρασης για να δώσει καλύτερη καταλυτική δραστηριότητα».

Ο Chen δήλωσε ότι έχει υποβάλει αίτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας για την πειραματική προετοιμασία καταλυτών που βασίζονται στο ρουθήνιο. Σημείωσε ότι εκτός από τις πιθανές εφαρμογές για παραγωγή υδρογόνου ως μέρος των συστημάτων βιώσιμης ενέργειας, η ηλεκτρολύση αλκαλικού νερού χρησιμοποιείται ήδη ευρέως στη χημική βιομηχανία, όπως και μια σχετική διαδικασία που ονομάζεται ηλεκτρόλυση χλωριούχων αλκαλίων για την οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και ο καταλύτης ρουθηνίου . Έτσι, υπάρχει ήδη μια μεγάλη αγορά για φθηνότερους, αποδοτικότερους καταλύτες.

Η ηλεκτρόλυση του νερού για την παραγωγή υδρογόνου μπορεί να διεξαχθεί σε όξινες ή αλκαλικές συνθήκες, και φυσικά κάθε μέθοδος έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της. Οι ηλεκτροκαταλύτες πλατίνας είναι πολύ πιο αποτελεσματικοί σε όξινα μέσα από ό, τι σε αλκαλικά μέσα. Οι καταλύτες με βάση το ρουθήνιο εκτελούν σχεδόν το ίδιο καλά τις δραστηριότητές τους όσο και η πλατίνα σε όξινα μέσα, ενώ παράλληλα ξεπερνούν την πλατίνα σε αλκαλικά μέσα, ανέφερε ο Chen.

Σε μελλοντικές εργασίες, οι ερευνητές θα επιδιώξουν να μεγιστοποιήσουν τον αριθμό των ενεργών χώρων στο υλικό. Μπορούν επίσης να ερευνήσουν τη χρήση άλλων μετάλλων στην ίδια νανοσύνθετη πλατφόρμα.