UT El Paso

Investigadores dirigidos por ingenieros de la Universidad de Texas en El Paso (UTEP) han propuesto un material a base de níquel de bajo costo inspirado en cactus para ayudar a dividir el agua de manera más económica y eficiente. El material se describe en un artículo de la revista ACS Applied Materials & Interfaces.

Las técnicas actuales de electrólisis para dividir el agua dependen en gran medida del platino como catalizador, que es muy costoso y simplemente no es factible de usar a gran escala debido a su precio, dijo el profesor de ingeniería mecánica de UTEP Ramana Chintalapalle, Ph.D., quien dirigió el estudio. .

El autor principal, Navid Attarzadeh, notó por primera vez el nopal mientras caminaba hacia el laboratorio del Centro de Investigación de Materiales Avanzados de UTEP. El equipo había estado explorando el níquel como reemplazo catalítico del platino, un metal abundante en la Tierra y 1000 veces más barato que el platino. El níquel, sin embargo, no es tan rápido y eficaz para descomponer el agua en hidrógeno.

Todos los días, pasaba por esta misma planta. Y comencé a conectarlo con nuestro problema del catalizador. Lo que me llamó la atención fue lo grandes que eran las hojas y los frutos en comparación con otras plantas del desierto; la tuna tiene una superficie extraordinaria.

Attarzadeh se preguntó qué pasaría si diseñaran un catalizador 3D a base de níquel con la forma de un nopal. El área de superficie más grande podría acomodar más reacciones electroquímicas, creando más hidrógeno de lo que normalmente puede hacer el níquel.

El equipo sintetizó una nanoarquitectura 3D de Ni5P4-Ni2P/NiS alineados (placas/nanoláminas) mediante un proceso de fosfosulfidación.

La durabilidad y el diseño único del nopal en ambientes desérticos al absorber la humedad a través de su extensa superficie y la capacidad de dar frutos en los bordes de las hojas inspiran este estudio para adoptar una arquitectura 3D similar y utilizarla para diseñar un catalizador de heteroestructura eficiente para la actividad HER. .

El catalizador consta de dos compartimentos de las placas Ni5P4-Ni2P alineadas verticalmente y las nanoláminas de NiS, que se asemejan al papel de las hojas y los frutos en el nopal. Las placas de Ni5P4-Ni2P envían cargas a las áreas de interfaz, y las nanoláminas de NiS influyen significativamente en Had y transfieren electrones para la actividad de HER. De hecho, la presencia sinérgica de heterointerfaces y las nanoláminas epitaxiales de NiS pueden mejorar sustancialmente la actividad catalítica en comparación con los catalizadores de fosfuro de níquel.

En particular, el sobrepotencial de inicio de los catalizadores ternarios mejor modificados exhibe (35 mV) la mitad del potencial requerido para los catalizadores de fosfuro de níquel. Este prometedor catalizador demuestra sobrepotenciales de 70 y 115 mV para alcanzar densidades de corriente de 10 y 100 mA cm–2, respectivamente. La pendiente de Tafel obtenida es de 50 mV dec–1, y la capacitancia de doble capa medida por voltamperometría cíclica (CV) para el mejor electrocatalizador ternario es de 13,12 mF cm–2, 3 veces más que el electrocatalizador de fosfuro de níquel.

Además, la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) en los potenciales catódicos revela que la resistencia de transferencia de carga más baja está relacionada con el mejor electrocatalizador ternario, que oscila entre 430 y 1,75 Ω cm–2. Esta mejora se puede atribuir a la aceleración de la intercambiabilidad de electrones en las interfaces. Nuestros hallazgos demuestran que las nanoláminas epitaxiales de NiS expanden el área de superficie catalítica activa y, al mismo tiempo, elevan la actividad catalítica intrínseca mediante la introducción de heterointerfaces, lo que lleva a acomodar más Had en las interfaces.

El proyecto de investigación fue apoyado por una subvención del programa de Asociaciones para la Investigación y Educación en Materiales (PREM) de la Fundación Nacional de Ciencias.

Recursos

Navid Attarzadeh, Debabrata Das, Srija N. Chintalapalle, Susheng Tan, V. Shutthanandan y CV Ramana (2023) "Diseño inspirado en la naturaleza de matrices Ni5P4-Ni2P/NiS alineadas con nanoarquitectura para mejorar la actividad electrocatalítica de la reacción de evolución de hidrógeno ( HER)" Interfaz y materiales aplicados de ACS 15 (18), 22036-22050 doi: 10.1021/acsami.3c00781

Publicado el 16 de mayo de 2023 en Catalizadores, Hidrógeno, Producción de hidrógeno, Antecedentes del mercado | Enlace permanente | Comentarios (0)