UT El Paso

I ricercatori guidati da ingegneri dell’Università del Texas a El Paso (UTEP) hanno proposto un materiale a basso costo a base di nichel, ispirato ai cactus, per aiutare a dividere l’acqua in modo più economico ed efficiente. Il materiale è descritto in un articolo sulla rivista ACS Applied Materials & Interfaces.

Le attuali tecniche di elettrolisi per dividere l'acqua fanno molto affidamento sul platino come catalizzatore, che è molto costoso e semplicemente non fattibile da utilizzare su larga scala a causa del suo prezzo, ha affermato Ramana Chintalapalle, Ph.D., professoressa di ingegneria meccanica dell'UTEP, che ha guidato lo studio. .

L'autore principale Navid Attarzadeh ha notato per la prima volta il fico d'India mentre camminava verso il laboratorio del Centro per la ricerca sui materiali avanzati dell'UTEP. Il team ha esplorato il nichel come sostituto catalitico del platino, un metallo abbondante sulla Terra e 1.000 volte più economico del platino. Il nichel, tuttavia, non è così rapido ed efficace nel scomporre l’acqua in idrogeno.

Ogni giorno passavo davanti a questa stessa pianta. E ho iniziato a collegarlo al nostro problema del catalizzatore. Ciò che attirò la mia attenzione fu la grandezza delle foglie e dei frutti rispetto ad altre piante del deserto; il fico d'India ha una superficie straordinaria.

Attarzadeh si è chiesto: e se avessero progettato un catalizzatore 3D a base di nichel a forma di fico d'india? L’area superficiale più ampia potrebbe ospitare più reazioni elettrochimiche, creando più idrogeno di quanto normalmente può fare il nichel.

Il team ha sintetizzato una nanoarchitettura 3D di Ni5P4-Ni2P/NiS allineati (piastre/nanofogli) utilizzando un processo di fosfo-solforazione.

La durabilità e il design unico del fico d'india negli ambienti desertici assorbendo l'umidità attraverso la sua ampia superficie e la capacità di portare frutti ai bordi delle foglie ispirano questo studio ad adottare un'architettura 3D simile e utilizzarla per progettare un efficiente catalizzatore eterostruttura per l'attività HER .

Il catalizzatore comprende due compartimenti delle piastre Ni5P4-Ni2P allineate verticalmente e dei nanofogli NiS, che ricordano il ruolo delle foglie e dei frutti nel fico d'india. Le piastre Ni5P4-Ni2P forniscono cariche alle aree di interfaccia e i nanofogli NiS influenzano in modo significativo Had e trasferiscono elettroni per l'attività HER. Infatti, la presenza sinergica di eterointerfacce e di nanofogli NiS epitassiali può migliorare sostanzialmente l'attività catalitica rispetto ai catalizzatori al fosfuro di nichel.

In particolare, il sovrapotenziale di inizio dei catalizzatori ternari meglio modificati mostra (35 mV) la metà del potenziale richiesto per i catalizzatori al fosfuro di nichel. Questo promettente catalizzatore dimostra sovrapotenziali di 70 e 115 mV per raggiungere densità di corrente di 10 e 100 mA cm–2, rispettivamente. La pendenza di Tafel ottenuta è di 50 mV dec–1 e la capacità del doppio strato misurata dalla voltammetria ciclica (CV) per il miglior elettrocatalizzatore ternario è 13,12 mF cm–2, 3 volte superiore a quella dell'elettrocatalizzatore al fosfuro di nichel.

Inoltre, la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) ai potenziali catodici rivela che la resistenza di trasferimento di carica più bassa è collegata al miglior elettrocatalizzatore ternario, compreso tra 430 e 1,75 Ω cm–2. Questo miglioramento può essere attribuito all'accelerazione dello scambio elettronico alle interfacce. I nostri risultati dimostrano che i nanofogli NiS epitassiali espandono l'area superficiale catalitica attiva e contemporaneamente elevano l'attività catalitica intrinseca introducendo eterointerfacce, il che porta ad accogliere più Had sulle interfacce.

Il progetto di ricerca è stato sostenuto da una sovvenzione del programma PREM (Partnerships for Research and Education in Materials) della National Science Foundation.

Risorse

Navid Attarzadeh, Debabrata Das, Srija N. Chintalapalle, Susheng Tan, V. Shutthanandan e CV Ramana (2023) "Progettazione ispirata alla natura di array Ni5P4-Ni2P/NiS allineati alla nanoarchitettura per una migliore attività elettrocatalitica della reazione di evoluzione dell'idrogeno ( HER)" ACS Applied Materials & Interfaces 15 (18), 22036-22050 doi: 10.1021/acsami.3c00781