UT 엘패소

텍사스 대학교 엘파소(UTEP)의 엔지니어들이 이끄는 연구원들은 물을 보다 저렴하고 효율적으로 분해하는 데 도움이 되는 저가형 선인장에서 영감을 받은 니켈 기반 소재를 제안했습니다. 이 자료는 ACS Applied Materials & Interfaces 저널의 논문에 설명되어 있습니다.

이번 연구를 이끈 UTEP 기계공학 교수 Ramana Chintalapalle 박사는 물을 분리하기 위한 현재의 전기분해 기술은 촉매로서 백금에 크게 의존하고 있는데, 이는 매우 비싸고 가격 때문에 대규모로 사용하는 것은 불가능하다고 말했습니다. .

수석 저자인 Navid Attarzadeh는 UTEP의 첨단 재료 연구 센터로 걸어가는 동안 처음으로 선인장 선인장을 발견했습니다. 연구팀은 지구상에 풍부하고 백금보다 1,000배 더 저렴한 금속인 백금의 촉매 대체재로 니켈을 탐색해 왔습니다. 그러나 니켈은 물을 수소로 분해하는 데 빠르고 효과적이지 않습니다.

매일 같은 식물을 지나쳤어요. 그리고 저는 그것을 촉매 문제와 연결하기 시작했습니다. 내 관심을 끈 것은 다른 사막 식물에 비해 잎과 열매가 얼마나 큰지였습니다. 가시배는 특별한 표면적을 가지고 있습니다.

Attarzadeh는 선인장 선인장 모양의 3D 니켈 기반 촉매를 설계하면 어떨까 궁금했습니다. 더 큰 표면적은 더 많은 전기화학 반응을 수용할 수 있어 일반적으로 니켈보다 더 많은 수소를 생성할 수 있습니다.

연구팀은 인황화 공정을 사용하여 정렬된 Ni5P4-Ni2P/NiS(플레이트/나노시트)의 3D 나노 아키텍처를 합성했습니다.

넓은 표면을 통해 수분을 흡수하고 잎 가장자리에서 열매를 맺는 능력을 통해 사막 환경에서 가시 배 선인장의 내구성과 독특한 디자인은 이 연구에서 유사한 3D 아키텍처를 채택하고 이를 활용하여 HER 활동을 위한 효율적인 헤테로구조 촉매를 설계하도록 영감을 줍니다. .

촉매는 수직으로 정렬된 Ni5P4-Ni2P 플레이트와 NiS 나노시트의 2개 구획으로 구성되며 가시 배 선인장의 잎과 과일의 역할과 유사합니다. Ni5P4-Ni2P 플레이트는 인터페이스 영역에 전하를 전달하고 NiS 나노시트는 HER 활동에 대한 전자를 전달하고 전달하는 데 큰 영향을 미칩니다. 실제로, 헤테로계면과 에피택셜 NiS 나노시트의 시너지 효과는 니켈 인화물 촉매에 비해 촉매 활성을 실질적으로 향상시킬 수 있습니다.

특히, 가장 잘 변형된 3원 촉매의 개시 과전위는 니켈 인화물 촉매에 필요한 전위의 절반(35mV)을 나타냅니다. 이 유망한 촉매는 각각 10 및 100 mA cm–2의 전류 밀도를 달성하기 위해 70 및 115 mV의 과전압을 보여줍니다. 얻은 타펠 기울기는 50mV dec–1이고, 최고의 삼원 전기촉매에 대해 순환 전압전류법(CV)으로 측정된 이중층 정전용량은 13.12mF cm–2로 니켈 인화물 전기촉매보다 3배 더 높습니다.

더욱이, 음극 전위에서의 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 가장 낮은 전하 이동 저항이 430에서 1.75 Ω cm–2 범위의 가장 좋은 3원 전기촉매와 연관되어 있음을 보여줍니다. 이러한 개선은 인터페이스에서의 전자 교환성의 가속화에 기인할 수 있습니다. 우리의 연구 결과는 에피택셜 NiS 나노시트가 활성 촉매 표면적을 확장하고 동시에 헤테로 인터페이스를 도입하여 고유 촉매 활성을 향상시켜 인터페이스에서 더 많은 Had를 수용할 수 있음을 보여줍니다.

연구 프로젝트는 국립과학재단(National Science Foundation)의 재료 연구 및 교육을 위한 파트너십(PREM) 프로그램의 보조금으로 지원되었습니다.

자원

Navid Attarzadeh, Debabrata Das, Srija N. Chintalapalle, Susheng Tan, V. Shutthanandan 및 CV Ramana (2023) "수소 진화 반응의 향상된 전기촉매 활성을 위한 나노 아키텍처 정렬 Ni5P4-Ni2P/NiS 어레이의 자연 영감 설계( HER)" ACS Applied Materials & Interfaces 15 (18), 22036-22050 doi: 10.1021/acsami.3c00781