Nuove intuizioni sulla reazione di evoluzione dell'idrogeno utilizzando Ni

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8359 (2023) Citare questo articolo

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Una delle grandi sfide attuali è trovare materiali non preziosi caratterizzati da un efficiente comportamento elettrocatalitico per sostituire i costosi materiali a base di platino ai fini delle reazioni di evoluzione dell'idrogeno (HER). In questo studio, ZIF-67 e ZIF-67 sono stati utilizzati come precursori per fabbricare con successo carbonio arricchito con N drogato metallico attraverso un semplice processo di pirolisi per applicare la reazione di evoluzione dell'idrogeno. Inoltre, a queste strutture è stato aggiunto nichel nel corso della procedura di sintesi. Durante il trattamento ad alta temperatura, ZIF-67 drogato con nichel è stato trasformato in carbonio metallico arricchito con N drogato con NiCo (NiCo/NC), sotto trattamenti ad alta temperatura, ZIF-8 drogato con Ni è stato trasformato in carbonio metallico arricchito con N drogato con NiZn (NiZn/ NC). Combinando precursori metallici, sono state sintetizzate le seguenti cinque strutture: NiCo/NC, Co/NC, NiZn/NC, NiCoZn/NC e CoZn/NC. È interessante notare che il Co/NC prodotto mostra un'attività di reazione di evoluzione dell'idrogeno ottimale insieme a un sovrapotenziale superiore di 97 mV e la pendenza minima di Tafel di 60 mV/dec a 10 mA cm. Inoltre, lo straordinario comportamento della reazione di evoluzione dell'idrogeno può essere attribuibile ai numerosi siti attivi, alla superiore conduttività elettrica del carbonio e alla struttura solida. Di conseguenza, il presente articolo suggerisce una nuova strategia per produrre materiali non preziosi caratterizzati da una superba efficienza HER per i futuri studiosi.

Gli ultimi decenni hanno testimoniato l'uso diffuso di combustibili fossili convenzionali, ad esempio petrolio e cherosene, in una varietà di campi, portando a contributi significativi alle infrastrutture delle nostre società1,2,3. Tuttavia, il loro consumo eccessivo ha avuto conseguenze estremamente negative, tra cui il riscaldamento globale e l’inquinamento ambientale. Inoltre, i combustibili fossili convenzionali sono considerati fonti energetiche non rinnovabili3,4.

Pertanto, è necessario trovare risorse energetiche sostenibili, rinnovabili ed ecocompatibili. L'idrogeno è considerato una fonte di energia pulita1,5. L'approccio più efficiente utilizzato per creare idrogeno attraverso le reazioni di evoluzione dell'idrogeno (HER) è la scissione delle molecole d'acqua6,7,8. Di conseguenza, lo sviluppo di elettrocatalizzatori efficaci ai fini delle reazioni di evoluzione dell'idrogeno è un passo fondamentale e necessario. Per quanto ne sappiamo, gli elettrocatalizzatori più efficaci per lo scopo HER sono i materiali a base di Pt9,10.

Tuttavia, a causa della scarsa abbondanza di terra e degli elevati costi di questi materiali, la loro applicazione pratica è soggetta a limitazioni. Pertanto, è necessario sviluppare elettrocatalizzatori abbondanti sulla terra e non preziosi caratterizzati da un'attività HER altamente efficiente. Negli ultimi anni, i materiali a base di metalli di transizione hanno ricevuto molta attenzione, il che è attribuibile ai loro costi inferiori, alla superba attività elettrocatalitica per gli scopi HER e all'abbondanza sulla terra11,12,13,14. Ad esempio, adottando reazioni idrotermali e tecniche di selenilazione, Zhou et al. ha preparato nanocristalli di CoSe incorporati in nanofili di carbonio (CoSe22@CNWs) e li ha utilizzati come catalizzatore per lo scopo di HER15. Questi studiosi hanno segnalato l'eccezionale durabilità e la superba attività HER di CoSe@CNWs. Attraverso la carbonizzazione diretta dell'ossido di grafene (GO) e Ni-MOF-74, Xie e colleghi hanno prodotto con successo Ni/NiO@C/GR-tw, che è stato utilizzato come catalizzatore ai fini della produzione di idrogeno16. Ni/NiO@C/GR-900-8 è caratterizzato da eccellenti prestazioni elettrocatalitiche insieme a una lieve pendenza Tafel di 44 mV/dec e una leggera sovratensione di 108 mV a 10 mA/cm217. Wang et al. hanno fabbricato catalizzatori Co-N-C a base PANI a temperature elevate e hanno anche studiato i contributi della composizione e della temperatura all'efficienza della reazione di evoluzione dell'idrogeno. Hanno scoperto che il CoCN potrebbe fungere da centro attivo nel corso dell'HER. Numerosi studiosi hanno contribuito all'ottimizzazione e alla progettazione del comportamento elettrocatalitico delle sostanze a base di metalli di transizione e hanno reso plausibile il loro utilizzo come potenziali sostituti dei materiali a base di Pt nel processo HER18,19.