Le nanostrutture di iridio appositamente progettate e depositate su ossido di tantalio mesoporoso migliorano la conduttività, l'attività catalitica e la stabilità a lungo termine.
Immagine: Ricercatori in Corea del Sud e negli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo catalizzatore all'iridio con una maggiore attività di reazione di evoluzione dell'ossigeno per facilitare l'elettrolisi conveniente dell'acqua con una membrana a scambio protonico per produrre idrogeno. Scopri di più
Il fabbisogno energetico mondiale continua a crescere. L'energia trasportabile a idrogeno è molto promettente nella nostra ricerca di soluzioni energetiche pulite e sostenibili. A questo proposito, gli elettrolizzatori ad acqua con membrana a scambio protonico (PEMWE), che convertono l'energia elettrica in eccesso in energia trasportabile a idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua, hanno suscitato molto interesse. Tuttavia, la sua applicazione su larga scala nella produzione di idrogeno rimane limitata a causa della lenta velocità della reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER), un componente importante dell'elettrolisi, e dell'elevato carico di costosi catalizzatori a base di ossidi metallici come l'iridio (Ir) e l'ossido di rutenio negli elettrodi. Pertanto, lo sviluppo di catalizzatori OER convenienti e ad alte prestazioni è necessario per l'applicazione diffusa della PEMWE.

Di recente, un team di ricerca coreano-americano guidato dal professor Changho Park del Gwangju Institute of Science and Technology in Corea del Sud ha sviluppato un nuovo catalizzatore nanostrutturato all'iridio basato sull'ossido di tantalio mesoporoso (Ta2O5) attraverso un metodo migliorato di riduzione dell'acido formico per ottenere un'elettrolisi efficiente dell'acqua PEM. La loro ricerca è stata pubblicata online il 20 maggio 2023 e sarà pubblicata nel volume 575 del Journal of Power Sources il 15 agosto 2023. Lo studio è stato co-autore del dott. Chaekyong Baik, ricercatore presso il Korea Institute of Science and Technology (KIST).
"La nanostruttura di Ir ricca di elettroni è uniformemente dispersa su un substrato mesoporoso stabile di Ta2O5 preparato con il metodo del modello morbido combinato con il processo di rivestimento con etilendiammina, che riduce efficacemente il contenuto di Ir di ​​una singola batteria PEMWE a 0,3 mg cm-2", ha spiegato il professor Park. È importante notare che il design innovativo del catalizzatore Ir/Ta2O5 non solo migliora l'utilizzo di Ir, ma presenta anche una maggiore conduttività e una maggiore superficie elettrochimicamente attiva.
Inoltre, la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e la spettroscopia di assorbimento a raggi X rivelano forti interazioni metallo-supporto tra Ir e Ta, mentre i calcoli della teoria del funzionale della densità indicano un trasferimento di carica da Ta a Ir, che causa un forte legame di adsorbati come O e OH e mantiene il rapporto Ir(III) durante il processo di ossidazione dell'OOP. Questo a sua volta si traduce in una maggiore attività di Ir/Ta2O5, che presenta una sovratensione inferiore di 0,385 V rispetto a 0,48 V per IrO2.
Il team ha anche dimostrato sperimentalmente l'elevata attività OER del catalizzatore, osservando una sovratensione di 288 ± 3,9 mV a 10 mA cm-2 e un'attività di massa Ir significativamente elevata di 876,1 ± 125,1 A g-1 a 1,55 V al valore corrispondente. per il signor Black. Infatti, Ir/Ta2O5 mostra un'eccellente attività OER e stabilità, il che è stato ulteriormente confermato da oltre 120 ore di funzionamento a cella singola del gruppo membrana-elettrodo.
Il metodo proposto presenta il duplice vantaggio di ridurre il livello di carico Ir e di aumentare l'efficienza dell'OER. "L'aumento dell'efficienza dell'OER integra l'efficienza economica del processo PEMWE, migliorandone così le prestazioni complessive. Questo risultato potrebbe rivoluzionare la commercializzazione del PEMWE e accelerarne l'adozione come metodo di produzione di idrogeno tradizionale", suggerisce un ottimista Professor Park.

Nel complesso, questo sviluppo ci avvicina al raggiungimento di soluzioni sostenibili per il trasporto dell'energia a idrogeno e quindi al raggiungimento della neutralità carbonica.
Informazioni sull'Istituto di Scienza e Tecnologia di Gwangju (GIST) L'Istituto di Scienza e Tecnologia di Gwangju (GIST) è un'università di ricerca con sede a Gwangju, in Corea del Sud. Fondata nel 1993, la GIST è diventata una delle università più prestigiose della Corea del Sud. L'università si impegna a creare un ambiente di ricerca solido che promuova lo sviluppo della scienza e della tecnologia e la collaborazione tra progetti di ricerca nazionali e internazionali. Fedele al motto "Orgoglioso creatore della scienza e della tecnologia del futuro", la GIST si classifica costantemente tra le migliori università della Corea del Sud.
Informazioni sugli autori Il Dott. Changho Park è professore presso il Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) dall'agosto 2016. Prima di entrare a far parte del GIST, è stato Vicepresidente di Samsung SDI e ha conseguito un Master presso il Samsung Electronics SAIT. Ha conseguito la laurea triennale, la laurea magistrale e il dottorato presso il Dipartimento di Chimica del Korea Institute of Science and Technology, rispettivamente nel 1990, 1992 e 1995. La sua attuale ricerca si concentra sullo sviluppo di materiali catalitici per gruppi elettrodi a membrana nelle celle a combustibile e sull'elettrolisi utilizzando supporti nanostrutturati di carbonio e ossidi metallici misti. Ha pubblicato 126 articoli scientifici e ottenuto 227 brevetti nel suo campo di competenza.
Il Dott. Chaekyong Baik è ricercatore presso il Korea Institute of Science and Technology (KIST). È coinvolto nello sviluppo di catalizzatori PEMWE OER e MEA, con un focus attuale su catalizzatori e dispositivi per reazioni di ossidazione dell'ammoniaca. Prima di entrare a far parte del KIST nel 2023, Chaekyung Baik ha conseguito il dottorato di ricerca in Integrazione Energetica presso il Gwangju Institute of Science and Technology.
La nanostruttura mesoporosa dell'iride supportata da Ta2O5 ricco di elettroni può migliorare l'attività e la stabilità della reazione di sviluppo dell'ossigeno.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti o relazioni personali note che potrebbero aver influenzato il lavoro presentato in questo articolo.
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