Журнал наномедицинских и биотерапевтических открытий
Открытый доступ

Абстрактный

Распространенные на Земле нанокатализаторы для получения чистого водородного топлива путем расщепления воды

Цзюньюань Сюй

Водород (H2) был предложен в качестве чистого и углеродно-нейтрального энергоносителя, который может использоваться в качестве топлива следующего поколения для удовлетворения как стационарных, так и транспортных нужд. По сравнению с паровым риформингом электрокаталитическое расщепление воды представляет собой более экологичный и устойчивый способ получения H2 и интенсивно исследовалось в последние годы. Реакция выделения кислорода (OER) была узким местом для повышения эффективности расщепления воды. Она включает четыре согласованных шага переноса электронов с протонной связью и является как термодинамически, так и кинетически сложной. Без катализатора OER обычно происходит при высоком перенапряжении, что приводит к большой потере энергии. По сравнению с OER, реакция выделения H2 (HER) может быть осуществлена ​​сравнительно легко, но эффективные электрокатализаторы все еще необходимы для снижения перенапряжения для HER и обеспечения возможности реакции с практически высокой скоростью. В последнее время было показано, что электрокатализаторы на основе широко распространенных переходных металлов обладают высокой активностью как для HER, так и для OER и предлагаются в качестве перспективных альтернатив катализаторам на основе металлов платиновой группы (PGM) для использования в электролизерах воды. В этом исследовании мы продемонстрировали наши недавние усилия по разработке эффективных и долговечных электрокатализаторов на основе переходных металлов, включая фосфиды переходных металлов, полученные методом влажного химического восстановления с последующей обработкой после фосфоризации, и сверхтонкие кластеры кобальта, полученные методом осаждения кластерного пучка. Мы продемонстрировали, что все эти катализаторы демонстрируют электрокаталитические характеристики, выгодно отличающиеся от электрокатализаторов на основе PGM для HER или OER, и поэтому имеют существенные перспективы для использования в качестве недорогих катализаторов в электролизерах воды.

Электрокаталитическое расщепление воды является перспективным подходом к получению водорода из воды. Для повышения эффективности расщепления воды необходимо способствовать вращению газа с поверхности катализаторов, снижать перенапряжение выделения кислорода (OER) и подавлять образование побочного продукта перекиси водорода. Чтобы реализовать их, в этой работе мы берем пример с природы, чтобы способствовать расщеплению воды полыми пористыми  микросферами Fe ₃ O ₄ (M − Fe ₃ O ₄ ) с помощью гемоглобина. Монослой гемоглобина был самоорганизован на поверхности катализаторов M − Fe ₃ O ₄  . Он транспортировал вновь образованные молекулы кислорода от поверхности катализаторов и демонстрировал эффект хирально-индуцированной спиновой селективности ( CISS ) во время реакции OER. Благодаря « помощи » гемоглобина потенциал начала OER полых пористых микросфер Fe ₃ O ₄  снизился на 100 мВ, а плотность тока увеличилась в 2 раза. Результаты указывают на новую стратегию разработки катализаторов, богатых землей, которые сочетают в себе достоинства переноса кислорода и  эффект CISS  для электрокаталитического расщепления воды.