کاهش مصرف پلاتین در تولید هیدروژن با استفاده از کاتالیزور دوفلزی جدید
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان چینی کاتالیزور جدیدی توسعه داده‌اند که می‌تواند با کاهش مقدار پلاتین مورد نیاز، تولید هیدروژن را ارزان‌تر و کارآمدتر کند.
هیدروژن اغلب به عنوان یک منبع انرژی پاک تبلیغ می‌شود، زیرا هنگام استفاده هیچ گاز گلخانه‌ای تولید نمی‌کند، اما امروزه بیشتر هیدروژن هنوز از سوخت‌های فسیلی ساخته می‌شود.
یک روش پاک‌تر شامل تجزیه آب با استفاده از برق تجدیدپذیر است، اما این فرآیند برای سرعت بخشیدن به واکنش تکامل هیدروژن (HER) به کاتالیزور‌ها متکی است. در حالی که پلاتین مؤثرترین کاتالیزور برای تولید هیدروژن است، اما هم کمیاب و هم گران است و کاربرد عملی آن را محدود می‌کند.
در تلاش برای کاهش هزینه‌ها و بهبود قابلیت تولید هیدروژن مبتنی بر پلاتین، محققان دانشگاه فناوری پکن و آکادمی علوم چین به دنبال توسعه یک کاتالیزور دوفلزی جدید بودند.
نتیجه، یک آلیاژ نوآورانه پلاتین-کبالت روی MXene است - ماده‌ای لایه‌ای که به دلیل رسانایی عالی و مساحت سطح بزرگش ارزشمند است - که با ادغام کاهش هزینه با راندمان و دوام بالا، یک راه حل امیدوارکننده ارائه می‌دهد.
دستیابی به موفقیت در آلیاژ پلاتین-کبالت، هیدروژن را پاک‌تر می‌کند
این ماده‌ی نوآورانه، مقدار بسیار کمی پلاتین را با کبالت ترکیب می‌کند و ضمن حفظ عملکرد کاتالیزوری بالا، استفاده از پلاتین گران‌قیمت را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. این رویکرد می‌تواند تولید هیدروژن پاک را برای کاربرد‌های در مقیاس بزرگ عملی‌تر کند و مسیری را برای آینده‌ای پایدارتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر در زمینه‌ی انرژی ارائه دهد.
محققان با استفاده از یک فرآیند کاهش مرحله‌ای، پراکندگی یکنواختی از ذرات آلیاژ پلاتین-کبالت (PtCo) را در سراسر MXene ایجاد کردند. این روش تضمین می‌کرد که ذرات فلزی به طور مساوی پراکنده شده و اثربخشی کاتالیزور را برای تولید هیدروژن به حداکثر می‌رساند.
دانشمندان در چکیده خود توضیح می‌دهند: مهمتر از همه، نانوصفحات دوبعدی MXene به دلیل مساحت سطح ویژه بزرگشان می‌توانند مکان‌های فعال بیشتری را در معرض دید قرار دهند. علاوه بر این، زیرلایه MXene با رسانایی الکتریکی عالی و رابط‌های هماهنگ بین PtCo و MXene، راندمان انتقال بار را افزایش داده و انرژی فعال‌سازی واکنش را کاهش می‌دهد.
آزمایش‌ها عملکرد پایدار کاتالیزور هیدروژن MXene را تأیید می‌کنند
آزمایش‌ها در شرایط اسیدی نشان داد که کاتالیزور PtCo/MXene با اضافه پتانسیل‌های کم ۶۰ میلی‌ولت در ۱۰- میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع و ۱۵۲ میلی‌ولت در ۱۰۰- میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع به طور مؤثر کار می‌کند. همچنین در طول استفاده پایدار باقی می‌ماند و آن را به یک کاندیدای قوی برای تولید عملی هیدروژن تبدیل می‌کند.
محققان دریافتند که ساختار منحصر‌به‌فرد کاتالیزور به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا سریع‌تر منتقل شوند و آزاد شدن هیدروژن را در طول واکنش آسان‌تر می‌کند. شبیه‌سازی‌های کامپیوتری همچنین نشان داد که افزودن کبالت، ساختار الکترونیکی پلاتین را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که فعالیت کاتالیزوری آن را افزایش می‌دهد.
این اصلاح، راندمان کلی واکنش آزادسازی هیدروژن را بهبود بخشید و نشان داد که چگونه ترکیب‌های فلزی با طراحی دقیق می‌توانند عملکرد را در کاربرد‌های انرژی پاک به طور قابل توجهی افزایش دهند.
بنابراین، با بهبود کارایی کاتالیزوری که به حداقل پلاتین نیاز دارد، محققان امکانات جدیدی را برای توسعه سیستم‌های انرژی هیدروژنی که هم پایدارتر و هم آسان‌تر برای مقیاس‌پذیری هستند، فراهم کرده‌اند.
این مطالعه در مجله Frontiers in Energy منتشر شده است.