Μια νέα μελέτη παρουσιάζει έναν καταλύτη κατασκευασμένο από λιγνίνη, ένα φυτικό απόβλητο υλικό, ο οποίος βελτιώνει δραματικά ένα βασικό στάδιο στην ηλεκτρόλυση του νερού.
Οι ερευνητές παρουσίασαν έναν νέο τύπο καταλύτη κατασκευασμένο από ανανεώσιμα φυτικά απόβλητα, ο οποίος θα μπορούσε να επιταχύνει σημαντικά την παραγωγή καθαρού υδρογόνου. Το υλικό παράγεται με την ενσωμάτωση νανοσωματιδίων οξειδίου του νικελίου και οξειδίου του σιδήρου μέσα σε ίνες άνθρακα που προέρχονται από λιγνίνη.
Αυτός ο σχεδιασμός βελτιώνει τόσο την απόδοση όσο και τη σταθερότητα της αντίδρασης έκλυσης οξυγόνου (oxygen evolution reaction), η οποία αποτελεί ουσιώδες βήμα στην ηλεκτρόλυση του νερού.
Σύμφωνα με την μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Biochar X, ο καταλύτης λειτουργεί με χαμηλή υπέρταση 250 mV στα 10 mA cm² και συνεχίζει να αποδίδει αξιόπιστα για περισσότερες από 50 ώρες σε υψηλή πυκνότητα ρεύματος. Αυτά τα ευρήματα υποδεικνύουν μια πρακτική και οικονομικά προσιτή επιλογή που θα μπορούσε να αντικαταστήσει τους καταλύτες πολύτιμων μετάλλων που χρησιμοποιούνται συνήθως στη βιομηχανική διάσπαση του νερού.
«Η έκλυση οξυγόνου είναι ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια για την αποτελεσματική παραγωγή υδρογόνου», δήλωσε η συγγραφέας Γιάνλιν Κιν (Yanlin Qin) από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Γκουανγκντόνγκ.
«Η εργασία μας δείχνει ότι ένας καταλύτης κατασκευασμένος από λιγνίνη, ένα υποπροϊόν χαμηλής αξίας των βιομηχανιών χαρτιού και βιοδιυλιστηρίων, μπορεί να προσφέρει υψηλή δραστικότητα και εξαιρετική ανθεκτικότητα. Αυτό παρέχει μια πιο πράσινη και πιο οικονομική οδό για παραγωγή υδρογόνου μεγάλης κλίμακας».
Δομικά πλεονεκτήματα του καταλύτη NiO/Fe3O4@LCFs
Η λιγνίνη είναι ένα από τα πιο άφθονα βιοπολυμερή του πλανήτη, ωστόσο συχνά «καίγετα» για παραγωγή θερμότητας χαμηλής ποιότητας αντί να χρησιμοποιείται για εφαρμογές υψηλότερης αξίας. Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές μετέτρεψαν τα απόβλητα λιγνίνης σε ανθρακονήματα μέσω ηλεκτροστατικής νηματοποίησης (electrospinning) και θερμικής επεξεργασίας. Το προκύπτον αγώγιμο πλαίσιο βοηθά στη συγκράτηση και προστασία των ενεργών σωματιδίων οξειδίου μετάλλου. Το τελικό υλικό, γνωστό ως NiO/Fe3O4@LCFs, περιέχει ένα δίκτυο ινών άνθρακα ενισχυμένων με άζωτο (nitrogen-doped) που βελτιώνει τη μεταφορά φορτίου, αυξάνει την επιφάνεια και παρέχει ισχυρή μηχανική σταθερότητα.
Η μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης αποκάλυψε ότι τα οξείδια του νικελίου και του σιδήρου σχηματίζουν μια νανοκλίμακας ετεροεπιφάνεια (heterojunction) μέσα στο δίκτυο των ινών άνθρακα. Αυτή η διεπιφάνεια παίζει κρίσιμο ρόλο στην επιτάχυνση της έκλυσης οξυγόνου, προωθώντας την ισορροπημένη προσρόφηση και απελευθέρωση των ενδιάμεσων προϊόντων της αντίδρασης. Ο συνδυασμός των οξειδίων μετάλλων με το αγώγιμο υπόστρωμα άνθρακα ενισχύει τη μεταφορά ηλεκτρονίων και καταστέλλει τη συσσωμάτωση σωματιδίων, δύο κοινούς περιορισμούς των παραδοσιακών καταλυτών βασικών μετάλλων.
Οι ηλεκτροχημικές δοκιμές επιβεβαίωσαν ότι ο καταλύτης υπερέχει έναντι εκδόσεων μονού μετάλλου, ιδιαίτερα σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος που απαιτούνται για την πρακτική ηλεκτρόλυση του νερού. Το υλικό παρουσιάζει επίσης κλίση Tafel (Tafel slope) μόλις 138 mV ανά δεκαετία, υποδεικνύοντας ταχύτερη κινητική. Μετρήσεις Raman in situ και υπολογισμοί θεωρίας συναρτησιακού πυκνότητας (density functional theory) υποστηρίζουν τον προτεινόμενο μηχανισμό, αποκαλύπτοντας ότι η σχεδιασμένη διεπιφάνεια διευκολύνει βασικά βήματα στη διαδικασία έκλυσης οξυγόνου.
«Στόχος μας ήταν να αναπτύξουμε έναν καταλύτη που όχι μόνο αποδίδει καλά, αλλά είναι επίσης επεκτάσιμος (scalable) και βασίζεται σε βιώσιμα υλικά», δήλωσε ο συν-υπεύθυνος συγγραφέας Σουεκίνγκ Κιου (Xueqing Qiu). «Επειδή η λιγνίνη παράγεται σε τεράστιες ποσότητες παγκοσμίως, η προσέγγιση προσφέρει μια ρεαλιστική οδό προς πιο πράσινες βιομηχανικές τεχνολογίες παραγωγής υδρογόνου».
Η μελέτη αναδεικνύει τις αυξανόμενες δυνατότητες των υλικών που προέρχονται από βιομάζα στα συστήματα μετατροπής ενέργειας. Με τον συνδυασμό ανανεώσιμων υποστρωμάτων άνθρακα με τον ορθολογικό σχεδιασμό των διεπιφανειών οξειδίων μετάλλων, η προσέγγιση ευθυγραμμίζεται με τις παγκόσμιες προσπάθειες για την ανάπτυξη λύσεων χαμηλού κόστους και φιλικών προς το περιβάλλον για καθαρή ενέργεια.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η στρατηγική μπορεί να επεκταθεί και σε άλλους μεταλλικούς συνδυασμούς και καταλυτικές διεργασίες, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τον σχεδιασμό ηλεκτροκαταλυτών επόμενης γενιάς από άφθονους φυσικούς πόρους.
