Un nanomaterial pe bază de fier și nichel ar putea reduce costurile hidrogenului verde
Producerea hidrogenului verde prin electroliza apei evită emisiile de dioxid de carbon, însă rămâne limitată de electrocatalizatorii scumpi, realizați din platină, ruteniu sau iridiu. O echipă de cercetători a testat o alternativă ieftină: oxizi de fier și nichel ancorați pe nanofibre de carbon, crescute pe foi bidimensionale de MXene. Rezultatele au fost publicate în revista ACS Applied Nano Materials.
În prezent, aproximativ 96% din hidrogenul produs la nivel mondial provine din combustibili fosili, prin gazeificarea cărbunelui și reformarea cu abur a gazului natural. Fiecare kilogram de hidrogen „gri” generează circa 10 kilograme de dioxid de carbon, iar varianta „albastră” aproximativ 6 kilograme. Electroliza apei elimină aceste emisii, dar presupune două reacții parțiale — degajarea oxigenului la anod și degajarea hidrogenului la catod — care au nevoie de electrocatalizatori pentru a funcționa la tensiuni practice.
Scheletul folosit de cercetători este Ti₃C₂Tₓ MXene, un material bidimensional bun conductor de electricitate, dar care tinde să se oxideze și să se reaglomereze, ceea ce crește rezistența. Pentru a remedia acest lucru, echipa a crescut nanofibre de carbon direct pe foile de MXene: a amestecat materialul cu un precursor de fier sau de nichel, l-a uscat și l-a încălzit în azot la 400°C, apoi a ridicat temperatura la 720°C și a introdus acetilenă timp de două ore, prin depunere chimică din vapori. Particulele de oxid metalic rămân la vârful fiecărei fibre, într-un proces numit creștere din vârf. Cei doi compuși au fost denumiți FeO-CNF@MX și NiO-CNF@MX.
Microscopia electronică a arătat fibre care traversează foile de MXene, fiecare acoperită cu o particulă de oxid metalic. Difracția de raze X și spectroscopia Raman au confirmat că structura stratificată a MXene-ului a supraviețuit sintezei, iar spectroscopia fotoelectronică cu raze X a arătat că particulele de oxid sunt ancorate pe foi. Compozitul pe bază de nichel a prezentat un carbon mai grafitic și mai puțin defectuos, cu un raport de defecte Raman de 0,40, față de 0,68 în cazul celui pe bază de fier.
Ambele materiale au fost testate într-o soluție de hidroxid de potasiu 1 M. Ancorarea fibrelor pe MXene a îmbunătățit performanța fiecărui catalizator față de fibrele simple. Pentru degajarea hidrogenului, NiO-CNF@MX a avut nevoie de un suprapotențial de 490 mV pentru a atinge 10 mA/cm², iar FeO-CNF@MX de 520 mV; fibrele fără MXene au necesitat 570 mV, respectiv 550 mV. Pentru degajarea oxigenului, compozitul de nichel a necesitat 300 mV, iar cel de fier 360 mV. Compozitul de nichel s-a situat la 50 mV de referința de oxid de ruteniu, care a necesitat 250 mV. Rezistența la transfer de sarcină a fost, de asemenea, ușor mai mică pentru compozitul de nichel: 15,5 ohmi, față de 16,5 ohmi în cazul fierului.
Testarea într-un electrolizor prototip, cu același material pe ambii electrozi, a schimbat însă clasamentul. Compozitul de fier a atins 10 mA/cm² la 2,2 V, în timp ce cel de nichel a avut nevoie de 2,7 V. Cercetătorii presupun că centrele de fier ajută la stabilizarea intermediarilor reactivi de oxigen, accelerând degajarea oxigenului în celula completă. Într-un test de 24 de ore, tensiunea celulei a variat cu doar 0,2–0,3 V pentru ambele materiale; compozitul de nichel a derivat ușor mai puțin, de la 2,38 la aproximativ 2,6 V, față de aproximativ 2,4–2,7 V în cazul celui de fier.
Catalizatorii nu se apropie încă de platină, care atinge 10 mA/cm² la un suprapotențial de 70 mV pentru degajarea hidrogenului. Rezultatele arată totuși că o rută simplă și scalabilă poate transforma oxizi metalici ieftini în catalizatori funcționali pentru ambele reacții parțiale. Compozitul de fier s-a remarcat printr-o activitate inițială mai mare în celula completă, iar cel de nichel printr-o performanță mai stabilă pe termen lung.
