نانوساختارهای ایریدیوم با طراحی ویژه که روی اکسید تانتالوم مزومتخلخل رسوب داده شده‌اند، رسانایی، فعالیت کاتالیزوری و پایداری طولانی‌مدت را افزایش می‌دهند.
تصویر: محققان کره جنوبی و ایالات متحده یک کاتالیزور ایریدیوم جدید با فعالیت واکنش افزایش یافته تکامل اکسیژن توسعه داده‌اند تا الکترولیز مقرون به صرفه آب را با یک غشای تبادل پروتون برای تولید هیدروژن تسهیل کنند. اطلاعات بیشتر
نیازهای انرژی جهان همچنان رو به افزایش است. انرژی هیدروژن قابل حمل، نویدبخش آینده‌ای روشن در جستجوی ما برای راه‌حل‌های انرژی پاک و پایدار است. در این راستا، الکترولیزکننده‌های آب غشای تبادل پروتون (PEMWEs)، که انرژی الکتریکی اضافی را از طریق الکترولیز آب به انرژی هیدروژن قابل حمل تبدیل می‌کنند، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، کاربرد گسترده آن در تولید هیدروژن به دلیل سرعت پایین واکنش تکامل اکسیژن (OER)، که یک جزء مهم الکترولیز است، و بارگذاری زیاد کاتالیزورهای اکسید فلزی گران‌قیمت مانند ایریدیوم (Ir) و اکسید روتنیم در الکترودها، همچنان محدود است. بنابراین، توسعه کاتالیزورهای OER مقرون‌به‌صرفه و با کارایی بالا برای کاربرد گسترده PEMWE ضروری است.

اخیراً، یک تیم تحقیقاتی کره‌ای-آمریکایی به رهبری پروفسور چانگهو پارک از موسسه علوم و فناوری گوانگجو در کره جنوبی، یک کاتالیزور نانوساختار ایریدیوم جدید بر پایه اکسید تانتالیوم مزومتخلخل (Ta2O5) از طریق یک روش کاهش اسید فرمیک بهبود یافته برای دستیابی به الکترولیز کارآمد آب PEM توسعه داده‌اند. تحقیقات آنها در 20 مه 2023 به صورت آنلاین منتشر شد و در جلد 575 مجله منابع انرژی در 15 آگوست 2023 منتشر خواهد شد. این مطالعه توسط دکتر چاکیونگ بایک، محقق موسسه علوم و فناوری کره (KIST)، به طور مشترک انجام شده است.
پروفسور پارک توضیح داد: «نانوساختار غنی از الکترون Ir به طور یکنواخت روی یک زیرلایه مزومتخلخل پایدار Ta2O5 که با روش الگوی نرم همراه با فرآیند احاطه‌کننده اتیلن‌دی‌آمین تهیه شده است، پراکنده شده است که به طور مؤثر محتوای Ir یک باتری PEMWE را به 0.3 میلی‌گرم بر سانتی‌متر مربع کاهش می‌دهد.» لازم به ذکر است که طراحی نوآورانه کاتالیزور Ir/Ta2O5 نه تنها استفاده از Ir را بهبود می‌بخشد، بلکه رسانایی بالاتر و سطح فعال الکتروشیمیایی بیشتری نیز دارد.
علاوه بر این، طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس و جذب اشعه ایکس، برهمکنش‌های قوی بین Ir و Ta را نشان می‌دهند، در حالی که محاسبات نظریه تابعی چگالی، انتقال بار از Ta به Ir را نشان می‌دهد که باعث اتصال قوی جاذب‌هایی مانند O و OH می‌شود و نسبت Ir(III) را در طول فرآیند اکسیداسیون OOP حفظ می‌کند. این به نوبه خود منجر به افزایش فعالیت Ir/Ta2O5 می‌شود که در مقایسه با 0.48 ولت برای IrO2، اضافه ولتاژ کمتری معادل 0.385 ولت دارد.
این تیم همچنین به صورت تجربی فعالیت بالای OER کاتالیزور را نشان داد و اضافه ولتاژ 288 ± 3.9 میلی ولت در 10 میلی آمپر بر سانتی متر مربع و فعالیت جرمی Ir به طور قابل توجهی بالا 876.1 ± 125.1 آمپر بر گرم در 1.55 ولت را نسبت به مقدار مربوطه برای آقای بلک مشاهده کرد. در واقع، Ir/Ta2O5 فعالیت و پایداری OER عالی از خود نشان می‌دهد که با بیش از 120 ساعت کارکرد تک سلولی مجموعه غشاء-الکترود بیشتر تأیید شد.
روش پیشنهادی دارای مزیت دوگانه کاهش سطح بار Ir و افزایش راندمان OER است. پروفسور پارک با خوش‌بینی می‌گوید: «افزایش راندمان OER، راندمان هزینه فرآیند PEMWE را تکمیل می‌کند و در نتیجه عملکرد کلی آن را بهبود می‌بخشد. این دستاورد می‌تواند انقلابی در تجاری‌سازی PEMWE ایجاد کند و پذیرش آن را به عنوان یک روش اصلی تولید هیدروژن تسریع بخشد.»

در مجموع، این پیشرفت ما را به دستیابی به راه‌حل‌های پایدار حمل و نقل انرژی هیدروژنی و در نتیجه دستیابی به وضعیت خنثی کربن نزدیک‌تر می‌کند.
درباره موسسه علوم و فناوری گوانگجو (GIST) موسسه علوم و فناوری گوانگجو (GIST) یک دانشگاه تحقیقاتی واقع در گوانگجو، کره جنوبی است. GIST در سال ۱۹۹۳ تأسیس شد و به یکی از معتبرترین مدارس کره جنوبی تبدیل شده است. این دانشگاه متعهد به ایجاد یک محیط تحقیقاتی قوی است که توسعه علم و فناوری را ارتقا می‌دهد و همکاری بین پروژه‌های تحقیقاتی بین‌المللی و داخلی را ترویج می‌دهد. GIST با پایبندی به شعار "شکل‌دهنده مغرور علم و فناوری آینده"، به طور مداوم در بین دانشگاه‌های برتر کره جنوبی قرار دارد.
درباره نویسندگان دکتر چانگهو پارک از آگوست ۲۰۱۶ استاد موسسه علوم و فناوری گوانگجو (GIST) بوده است. پیش از پیوستن به GIST، او به عنوان معاون رئیس سامسونگ SDI خدمت می‌کرد و مدرک کارشناسی ارشد خود را از سامسونگ الکترونیکس SAIT دریافت کرد. او مدرک لیسانس، کارشناسی ارشد و دکترای خود را به ترتیب در سال‌های ۱۹۹۰، ۱۹۹۲ و ۱۹۹۵ از گروه شیمی موسسه علوم و فناوری کره دریافت کرد. تحقیقات فعلی او بر توسعه مواد کاتالیزوری برای مجموعه‌های الکترود غشایی در سلول‌های سوختی و الکترولیز با استفاده از کربن نانوساختار و پایه‌های اکسید فلزی مخلوط متمرکز است. او ۱۲۶ مقاله علمی منتشر کرده و ۲۲۷ اختراع در زمینه تخصصی خود دریافت کرده است.
دکتر چاکیونگ بایک محقق موسسه علوم و فناوری کره (KIST) است. او در توسعه کاتالیزورهای PEMWE OER و MEA مشارکت دارد و تمرکز فعلی او بر کاتالیزورها و دستگاه‌های واکنش‌های اکسیداسیون آمونیاک است. چاکیونگ بایک پیش از پیوستن به KIST در سال 2023، دکترای خود را در رشته یکپارچه‌سازی انرژی از موسسه علوم و فناوری گوانگجو دریافت کرده بود.
نانوساختار مزومتخلخل ایرید که توسط Ta2O5 غنی از الکترون پشتیبانی می‌شود، می‌تواند فعالیت و پایداری واکنش تکامل اکسیژن را افزایش دهد.
نویسندگان اعلام می‌کنند که هیچ گونه منافع مالی رقابتی یا روابط شخصی شناخته شده‌ای ندارند که بتواند بر کار ارائه شده در این مقاله تأثیر بگذارد.
سلب مسئولیت: AAAS و EurekAlert! مسئولیتی در قبال صحت اطلاعیه‌های مطبوعاتی منتشر شده در EurekAlert! ندارند. هرگونه استفاده از اطلاعات توسط یک سازمان شرکت‌کننده یا از طریق سیستم EurekAlert.

اگر مایل به کسب اطلاعات بیشتر هستید، لطفاً برای من ایمیل بفرستید.
ایمیل：
info@pulisichem.cn
تلفن：
‎+86-533-3149598‎