طراحی الکترود جدید بر مسئله هدایت الکتریکی پایین کاتالیزورهای (اکسی) هیدروکسید غلبه کرده و واکنش‌های تکامل هیدروژن و اکسیژن را بهبود می‌بخشد.

محققان موسسه علم و فناوری گوانگجو اکنون یک الکترود با اتصال شاتکی طراحی کرده اند که در رابط فلزی Ni-W5N4 و نیمه هادی NiFeOOH تشکیل شده است، این طرح بر عملکرد ضعیف اغلب نشان داده شده کاتالیزورهای الکتروشیمیایی مورد استفاده در آب به دلیل رسانایی الکتریکی پایین گونه های (اکسی) هیدروکسید تولید شده در محل غلبه می کند.

انتظار می‌رود که هیدروژن سبز (یا H2) که از منابع انرژی تجدیدپذیر تولید می‌شود، سوخت یک آینده کربن‌زدایی باشد.

الکترولیز یا تقسیم آب به اکسیژن و هیدروژن با کمک یک سلول الکتروشیمیایی یکی از محبوب ترین راه های تولید H2 سبز است.

این یک واکنش ساده است، محصولات با کیفیت بالا را تضمین می کند و انتشار کربن صفر دارد.

با این حال با وجود مزایای آن، تقسیم آب الکتروشیمیایی هنوز در مقیاس تجاری برجسته نشده است و این به دلیل هدایت الکتریکی پایین کاتالیزورهای فعال (اکسی) هیدروکسید است که در محل در طی فرآیندهای الکتروشیمیایی تولید می شوند.

این به نوبه خود منجر به فعالیت کاتالیزوری محدود می شود و واکنش های هیدروژن و همچنین تکامل اکسیژن در سلول را مختل می کند.

مشکل خواص الکتریکی ضعیف (اکسی) هیدروکسید یک چالش طولانی مدت برای دستیابی به تقسیم آب کارآمد بوده است.

تیمی از محققان به سرپرستی دانشیار جونهیوک سئو از دپارتمان شیمی موسسه علم و فناوری گوانگجو، راه حلی برای این موضوع در قالب اتصالات شاتکی پیدا کرده اند.

در مطالعه‌ای که اخیراً به صورت آنلاین در دسترس قرار گرفت و در جلد 340 مجله Applied Catalysis B: Environmental در ژانویه 2024 منتشر شد، آنها الکترودی را با اتصال شاتکی نشان دادند که در رابط نیترید نیکل- تنگستن فلزی (Ni-W5N4) و نیمه هادی تشکیل شده است. (کاتالیزور نیکل-آهن (اکسی) هیدروکسید (NiFeOOH) نوع n)

این الکترود قادر به غلبه بر محدودیت رسانایی (اکسی) هیدروکسید بود و توانایی تقسیم آب را بهبود بخشید.

قابل ذکر است دو ماده، یک فلز و یک نیمه هادی، با رفتارهای الکترونیکی تا حد زیادی متفاوت در تماس قرار گرفتند تا تفاوت انرژی در رابط ایجاد کنند و یک اتصال را تشکیل دهند.

دکتر سئو، با برجسته کردن مکانیسم هسته پشت الکترود جدید طراحی شده خود، توضیح داد: تحقیق ما از این سد انرژی بالقوه موجود در اتصال شاتکی برای تسریع جریان الکترون در الکترود استفاده کرد که منجر به افزایش قابل توجهی در فعالیت واکنش تکاملی اکسیژن می‌شود و به طور کلی تسریع می‌کند. (شکافتن آب)

پس از انجام تقسیم آب الکتروکاتالیستی، تیم مشاهده کردند که آلیاژ Ni-W5N4 واکنش تکامل هیدروژن را کاتالیز می‌کند و منجر به چگالی جریان 10 میلی آمپر بر سانتی‌متر مربع در یک مازاد پتانسیل کوچک 11 میلی‌ولتی می‌شود.

علاوه بر این اتصال شاتکی یکسو کننده تشکیل شده در فصل مشترک Ni-W5N4 | NiFeOOH لایه‌بندی غیر رسانا تولید شده توسط گونه‌های (اکسی) هیدروکسید را باطل کرد.

در بایاس رو به جلو، چگالی جریان 11 mA/cm2 در 181 میلی ولت اضافه پتانسیل را نشان داد.

تجزیه و تحلیل الکتروشیمیایی الکترود نشان داد که فعالیت کاتالیزوری بهبود یافته را می توان در واقع به اتصال شاتکی نسبت داد و در نهایت محققان یک الکترولیز را با استفاده از الکترود اتصال Schottky خود برای الکترولیز آب دریا طراحی کردند.

آنها دریافتند که دستگاه جدید می تواند به مدت 10 روز به طور مداوم کار کند، در حالی که فعالیت کاتالیزوری و دوام فوق العاده ای را در طول الکترولیز از خود نشان می دهد.

چگالی جریان قابل توجه 100 میلی آمپر بر سانتی‌متر مربع در یک مازاد پتانسیل تنها 230 میلی ولت را نشان داد.

به طور کلی، محققان بر این باورند که این یافته‌ها می‌تواند به یک استراتژی پایدار برای تولید هیدروژن کمک کند تا در نهایت جایگزین روش‌های مرسوم شود که هنوز بر سوخت‌های فسیلی متکی هستند.

دکتر سئو نتیجه گرفت: آب شیرین و آب دریا منابع فراوان و تجدیدپذیر پروتون هستند و سیستم‌های تقسیم آب کارآمد تضمین می‌کنند که ما می‌توانیم تولید پایدار سوخت هیدروژن صفر کربن را ایجاد کنیم، بنابراین به مدیریت مشکلات آب و هوایی فعلی کمک می‌کنیم.

بیانیه مطبوعاتی با این جمله خاتمه می‌یابد: امیدواریم نمایش موفقیت‌آمیز الکترود Ni-W5N4|NiFeOOH برای تقسیم آب، راه‌های جدیدی را برای سیستم‌های ذخیره‌سازی و تبدیل انرژی مبتنی بر اتصال شاتکی با دوام و کارایی بالا باز کند!

بهبود عملکرد زیادی در این نوآوری جدید وجود دارد. این و چرخه عمر 240 به چشم انداز مثبت می افزاید و در مقایسه مستقیم با اصلاح بخار ذکر نشده است، که نشان می دهد اگرچه عملکرد بسیار نزدیکتر ممکن است برای غلبه بر مزیت بخار وجود نداشته باشد.

این طول عمر 10 روزه کیفیت جلب توجه است. باید تعجب کرد که هزینه بازیافت/بازسازی یک مجموعه کاتالیزور و بازگرداندن آن به کار چه می تواند باشد.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است. سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد. ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست، و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.