Priprava dvodimenzionalnih (2D) elektrokatalizatorjev na osnovi boridenov za vodne elektrolizatorje z anionsko izmenjalno membrano

Trajnostna proizvodnja vodika (H2) s potencialno brezogljično metodo, kot je elektroliza vode, je ključnega pomena za naše strategije razogljičenja. Obstoječe tehnologije vodnega elektrolizatorja so že uporabljene za prikaz proizvodnje H2 v obsegu gigavatov. Vendar pa naslednji velik prehod na teravatne obsege zahteva nove preboje na področju komponent elektrolizatorja, zlasti v zvezi z elektrodami, ki tvorijo enega najbolj ključnih delov celotne naprave. Vodni elektrolizatorji z anionsko izmenjevalno membrano (AEMWE) so obetavna prihajajoča tehnologija za pridobivanje zelenega vodika, vendar je zelo malo elektrokatalizatorjev z uveljavljenimi zmogljivostmi pri pogojih, ki so pomembni za komercialne AEMWE. Poleg tega obstaja globoka vrzel v razumevanju obnašanja elektrod v tako ekstremnih pogojih. Projekt Borocat zapolnjuje to vrzel z zagotavljanjem novega nabora visoko učinkovitih in stabilnih elektrokatalizatorjev in vzpostavitvijo temlejne znanosti, potrebne za razumevanje njihovih katalitskih lastnosti in obnašanja pri ustreznih eksperimentalnih pogojih delovanja. Borideni so dvodimenzionalni (2D) borovi analogi grafena z nastavljivimi površinskimi funkcionalnostmi za različne katalitske aplikacije. Njihove napovedane odlične lastnosti, skupaj z njihovimi nižjimi stroški zaradi pogostosti v naravi, jih uvrščajo med najbolj obetavne razrede elektrokatalizatorjev za elektrokatalitsko cepitev vode. Vendar je njihova eksperimentalna realizacija izziv, ki bo obravnavan v okviru tega projekta. Da bi dokazali industrijsko pomembnost takšnih obetavnih elektrokatalizatorjev, je bistvenega pomena preizkusiti njihove aktivnosti pri večjih gostotah toka (> 1 A/cm2) in daljših časovnih obdobjih (> 1000 h). Običajne elektrokemijske meritve, ki vključujejo 3-elektrodno nastavitev (vključno z elektrodo z vrtljivim diskom), predstavljajo omejitve transporta mase, ki izvirajo iz več dejavnikov (kot je nizka topnost produktnih plinov, tvorba mikro mehurčkov itd.), kar močno omejuje vrednotenje katalizatorjev pri višjih gostotah toka. Poleg tega običajni sistemi s 3 elektrodami niso podobni resničnemu okolju, ki ga ima katalizator v sklopih membranskih elektrod (MEA) AEMWE. Poleg tega degradacijsko obnašanje elektrod v tako ekstremnih pogojih doprinaša koristne informacije, ki lahko usmerjajo razvoj omilitvenih ukrepov za preprečevanje degradacije, vendar se takšne preiskave izvajajo le redko. V okviru projekta Borocat ne bomo samo pripravili 2D boridene, temveč jih bomo tudi ovrednotili pri 1 A/cm2 za ~1000 h in izvedli podrobno oceno razgradnje, s čimer bomo premagali omenjene izzive. Zaradi strokovnega znanja in izkušenj naše ekipe bomo razvili splošen protokol sinteze, ki temelji na metodi staljene soli za izdelavo 2D boridenskih faz Mo, Fe, Cr in W. Optimizirane katalizatorske faze bodo ovrednotene pri ~1 A/cm2 z uporabo plinske difuzijske elektrode (GDE). GDE ponuja razumno sorodnost z okoljem MEA in zaradi svoje edinstvene zasnove izboljšuje lastnosti masnega transporta. Omogoča tudi možnost izvajanja dolgotrajnih elektrokemijskih meritev (~1000 h) za merjenje resničnega profila stabilnosti katalizatorja. Za oceno razgradnje elektrokatalizatorjev, optimiziranih v nastavitvi GDE, bo uporabljena modificirana lebdeča elektroda (MFE), kot jo je razvila naša ekipa, v povezavi z transmisijsko elektronsko mikroskopijo na identičnih lokacijiah (IL-TEM) . Ta edinstvena kombinacija nam bo omogočila, da dosežemo pogoje testiranja, podobne GDE, in neposredno preiščemo elektrodo s TEM, z možnostjo sledenja spremembam, ki jih povzroča reakcija, na istem mestu vzorca. Poleg tega bodo študije raztapljanja elektrod omogočene z meritvami masne spektrometrije z induktivno sklopljeno plazmo (ICP-MS) in situ in ex-situ. Tako bomo do konca projekta Borocat izčrpno vzpostavili bistvene znanstvene dokaze v podporo 2D boridenov kot pomembne alternative za neposredno vgradnjo v komercialne sisteme AEMWE.