โครงสร้างนาโนของอิริเดียมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษซึ่งเคลือบอยู่บนแทนทาลัมออกไซด์ที่มีรูพรุน ช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้า กิจกรรมเร่งปฏิกิริยา และความเสถียรในระยะยาว
ภาพ: นักวิจัยในเกาหลีใต้และสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาอิริเดียมชนิดใหม่ที่มีกิจกรรมการเกิดปฏิกิริยาออกซิเจนสูงขึ้น เพื่ออำนวยความสะดวกในการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าอย่างคุ้มค่าโดยใช้เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนเพื่อผลิตไฮโดรเจน เรียนรู้เพิ่มเติม
ความต้องการพลังงานของโลกยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง พลังงานไฮโดรเจนที่สามารถขนส่งได้นั้นมีศักยภาพสูงในการค้นหาโซลูชันพลังงานสะอาดและยั่งยืน ในแง่นี้ เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMWE) ซึ่งแปลงพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินเป็นพลังงานไฮโดรเจนที่สามารถขนส่งได้ผ่านกระบวนการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ได้รับความสนใจอย่างมาก อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้งานในวงกว้างในการผลิตไฮโดรเจนยังคงมีข้อจำกัด เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาการปลดปล่อยออกซิเจน (OER) ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญของการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ช้า และการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะออกไซด์ราคาแพง เช่น อิริเดียม (Ir) และรูทีเนียมออกไซด์ในปริมาณมากในอิเล็กโทรดก็มีข้อจำกัดเช่นกัน ดังนั้น การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา OER ที่คุ้มค่าและมีประสิทธิภาพสูงจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งาน PEMWE อย่างแพร่หลาย

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยชาวเกาหลี-อเมริกัน นำโดยศาสตราจารย์ชางโฮ ปาร์ค จากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควางจู ประเทศเกาหลีใต้ ได้พัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาโครงสร้างนาโนอิริเดียมชนิดใหม่ โดยใช้แทนทาลัมออกไซด์แบบมีรูพรุน (Ta2O5) ผ่านวิธีการลดกรดฟอร์มิกที่ได้รับการปรับปรุง เพื่อให้ได้การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ PEM ที่มีประสิทธิภาพสูง งานวิจัยของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ออนไลน์เมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม 2023 และจะตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Power Sources ฉบับที่ 575 ในวันที่ 15 สิงหาคม 2023 โดยมี ดร.แชคยอง ไบค์ นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งเกาหลี (KIST) ร่วมเขียนงานวิจัยนี้ด้วย
ศาสตราจารย์ปาร์คอธิบายว่า “โครงสร้างนาโนของอิริเดียม (Ir) ที่อุดมไปด้วยอิเล็กตรอนถูกกระจายอย่างสม่ำเสมอลงบนพื้นผิวเมโซพอรัสของแทลโอไดเมียม (Ta2O5) ที่เสถียร ซึ่งเตรียมโดยวิธีแม่แบบอ่อนร่วมกับกระบวนการล้อมรอบด้วยเอทิลีนไดอะมีน ซึ่งช่วยลดปริมาณอิริเดียมในแบตเตอรี่ PEMWE หนึ่งก้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเหลือเพียง 0.3 มิลลิกรัมต่อตารางเซนติเมตร” สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยา Ir/Ta2O5 ที่ล้ำสมัยนี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้อิริเดียมเท่านั้น แต่ยังมีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าและมีพื้นที่ผิวที่ใช้งานทางเคมีไฟฟ้าได้มากกว่าอีกด้วย
นอกจากนี้ การวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์และการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์เผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างโลหะกับตัวรองรับที่แข็งแกร่งระหว่าง Ir และ Ta ในขณะที่การคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นบ่งชี้ว่ามีการถ่ายโอนประจุจาก Ta ไปยัง Ir ซึ่งทำให้เกิดการยึดเกาะที่แข็งแรงของสารดูดซับ เช่น O และ OH และรักษาสัดส่วนของ Ir(III) ไว้ในระหว่างกระบวนการออกซิเดชัน OOP ซึ่งส่งผลให้กิจกรรมของ Ir/Ta2O5 เพิ่มขึ้น โดยมีค่าโอเวอร์โวลเทจต่ำกว่าที่ 0.385 V เมื่อเทียบกับ 0.48 V สำหรับ IrO2
ทีมวิจัยยังได้สาธิตให้เห็นถึงกิจกรรม OER ที่สูงของตัวเร่งปฏิกิริยา โดยสังเกตพบค่าโอเวอร์โวลเทจ 288 ± 3.9 mV ที่ 10 mA cm-2 และค่ากิจกรรมมวล Ir ที่สูงอย่างมีนัยสำคัญถึง 876.1 ± 125.1 A g-1 ที่ 1.55 V ซึ่งสอดคล้องกับค่าของนายแบล็ก ที่จริงแล้ว Ir/Ta2O5 แสดงให้เห็นถึงกิจกรรมและความเสถียรของ OER ที่ยอดเยี่ยม ซึ่งได้รับการยืนยันเพิ่มเติมจากการทำงานของเซลล์เดี่ยวของชุดประกอบเมมเบรน-อิเล็กโทรดนานกว่า 120 ชั่วโมง
วิธีการที่เสนอมีข้อดีสองประการ คือ ลดระดับภาระ Ir และเพิ่มประสิทธิภาพของ OER “ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของ OER ช่วยเสริมประสิทธิภาพด้านต้นทุนของกระบวนการ PEMWE ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม ความสำเร็จนี้อาจปฏิวัติการนำ PEMWE ไปใช้ในเชิงพาณิชย์และเร่งการนำไปใช้เป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนหลัก” ศาสตราจารย์ปาร์คกล่าวอย่างมองโลกในแง่ดี

โดยรวมแล้ว การพัฒนาครั้งนี้ทำให้เราเข้าใกล้การบรรลุเป้าหมายด้านการขนส่งพลังงานไฮโดรเจนที่ยั่งยืน และนำไปสู่การบรรลุสถานะความเป็นกลางทางคาร์บอนได้มากขึ้น
เกี่ยวกับสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควังจู (GIST) สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควังจู (GIST) เป็นมหาวิทยาลัยวิจัยตั้งอยู่ในเมืองควังจู ประเทศเกาหลีใต้ GIST ก่อตั้งขึ้นในปี 1993 และได้กลายเป็นหนึ่งในสถาบันการศึกษาที่มีชื่อเสียงที่สุดในเกาหลีใต้ มหาวิทยาลัยมุ่งมั่นที่จะสร้างสภาพแวดล้อมการวิจัยที่แข็งแกร่งซึ่งส่งเสริมการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี และส่งเสริมความร่วมมือระหว่างโครงการวิจัยในประเทศและต่างประเทศ โดยยึดมั่นในคำขวัญ “ผู้สร้างสรรค์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งอนาคตอย่างภาคภูมิใจ” GIST ได้รับการจัดอันดับให้อยู่ในกลุ่มมหาวิทยาลัยชั้นนำของเกาหลีใต้อย่างต่อเนื่อง
เกี่ยวกับผู้เขียน ดร. ชางโฮ ปาร์ค ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีควางจู (GIST) ตั้งแต่เดือนสิงหาคม 2559 ก่อนเข้าร่วม GIST เขาเคยดำรงตำแหน่งรองประธานของ Samsung SDI และได้รับปริญญาโทจาก Samsung Electronics SAIT เขาได้รับปริญญาตรี ปริญญาโท และปริญญาเอก จากภาควิชาเคมี สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งเกาหลี ในปี 2533, 2535 และ 2538 ตามลำดับ งานวิจัยปัจจุบันของเขามุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวัสดุเร่งปฏิกิริยาสำหรับชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรนในเซลล์เชื้อเพลิงและการแยกด้วยไฟฟ้าโดยใช้คาร์บอนโครงสร้างนาโนและตัวรองรับออกไซด์โลหะผสม เขาได้ตีพิมพ์บทความทางวิทยาศาสตร์ 126 เรื่องและได้รับสิทธิบัตร 227 ฉบับในสาขาความเชี่ยวชาญของเขา
ดร. แชคยอง ไบค์ เป็นนักวิจัยที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งเกาหลี (KIST) เขามีส่วนร่วมในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยา PEMWE OER และ MEA โดยปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ตัวเร่งปฏิกิริยาและอุปกรณ์สำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันของแอมโมเนีย ก่อนเข้าร่วม KIST ในปี 2023 แชคยอง ไบค์ สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกด้านการบูรณาการพลังงานจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งกวางจู
โครงสร้างนาโนอิริดแบบมีรูพรุนขนาดกลางที่รองรับด้วย Ta2O5 ที่อุดมไปด้วยอิเล็กตรอน สามารถเพิ่มกิจกรรมและความเสถียรของปฏิกิริยาการเกิดออกซิเจนได้
ผู้เขียนขอประกาศว่าไม่มีผลประโยชน์ทางการเงินหรือความสัมพันธ์ส่วนตัวใดๆ ที่อาจส่งผลกระทบต่อผลงานที่นำเสนอในบทความนี้
ข้อสงวนสิทธิ์: AAAS และ EurekAlert! ไม่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของข่าวประชาสัมพันธ์ที่เผยแพร่บน EurekAlert! การนำข้อมูลไปใช้โดยองค์กรที่เข้าร่วมหรือผ่านระบบ EurekAlert! ถือเป็นการละเมิดลิขสิทธิ์

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติม โปรดส่งอีเมลมาหาฉัน
อีเมล:
info@pulisichem.cn
โทรศัพท์:
+86-533-3149598