Aby zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych i zwalczać zmiany klimatu, świat pilnie potrzebuje czystych i odnawialnych źródeł energii. Wodór jest jednym z takich źródeł czystej energii, które ma zerową zawartość węgla i przechowuje znacznie więcej energii ze wagi niż benzyna. Jedną obiecującą metodą wytwarzania wodoru jest elektrochemiczne rozmieszczanie wody, proces wykorzystujący energię elektryczną do rozkładania wody w wodór i tlen. W połączeniu z odnawialnymi źródłami energii metoda ta oferuje zrównoważony sposób produkcji wodoru i może przyczynić się do zmniejszenia gazów cieplarnianych.
Niestety, na dużą skalę produkcji wodoru przy użyciu tej metody jest obecnie niewykonalna ze względu na potrzebę katalizatorów wykonanych z drogich metali ziem rzadkich. W związku z tym naukowcy badają bardziej przystępne delektrokatalizatory, takie jak te wykonane z różnorodnych metali przejściowych i związków. Wśród nich fosfory metalowe przejściowe (TMP) przyciągnęły znaczną uwagę jako katalizatory do generującej wodór stronę procesu, znaną jako reakcja ewolucji wodoru (HER), ze względu na ich korzystne właściwości. Jednak słabo działają w reakcji ewolucji tlenu (OER), co zmniejsza ogólną wydajność. Wcześniejsze badania sugerują, że bor (b) przecinanie TMP może poprawić zarówno jej, jak i OER, ale do tej pory tworzenie takich materiałów było wyzwaniem.
W niedawnym przełomie zespół badawczy prowadzony przez profesora Seunghyuna Lee, w tym Dun Chan Cha, z kampusu Hanyang University Erica w Korei Południowej, opracował nowy rodzaj dostrajalnego elektrokatalizatora przy użyciu nanosoleków kobaltowych (COP). Prof. Lee wyjaśnia: „Z powodzeniem opracowaliśmy nanomateriały oparte na fosffach kobaltowych, dostosowując domieszkowanie boru i zawartość fosforu za pomocą ram metalowo-organicznych. Materiały te mają lepszą wydajność i niższy koszt niż konwencjonalne elektrokatalizatory, dzięki czemu są odpowiednie do produkcji wodoru na dużą skalę”. Ich badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Small 19 marca 2025 r.
Naukowcy zastosowali innowacyjną strategię do tworzenia tych materiałów, przy użyciu ram metalowych opartych na kobalcie (CO) (MOF). „MOF są doskonałymi prekursorami do projektowania i syntezy nanomateriałów z wymaganym składem i strukturami”, zauważa Cha. Najpierw wyhodowali współwystępujące na niklu pianki (NF). Następnie poddali ten materiał reakcji modyfikacji postsynteza (PSM) z borohydrolem sodu (NABH4), co spowodowało integrację B. Następnie był proces fosforalizacji z użyciem różnych ilości hipofosfortu sodu (NaH2PO2), co powoduje tworzenie trzech różnych próbek bopowanego fosforowego fosfor fosfor (B-cop@NC/NF).
Eksperymenty wykazały, że wszystkie trzy próbki miały dużą powierzchnię i mezoporowatą strukturę, kluczowe cechy, które poprawiają aktywność elektrokatalityczną. W rezultacie wszystkie trzy próbki wykazywały doskonałą OER i jej wydajność, przy czym próbka wykonana przy użyciu 0,5 grama NaH2PO2 (b-cop0.5@nc/nf) wykazuje najlepsze wyniki. Co ciekawe, ta próbka wykazywała nadpotencja 248 i 95 mV odpowiednio dla OER i jej, znacznie niższych niż wcześniej zgłoszonych elektrokatalizatorów.
Elektrolizer alkaliczny opracowany przy użyciu elektrod B-COP0.5@NC/NF wykazał potencjał komórkowy zaledwie 1,59 V przy gęstości prądu 10 mA CM-2, niższy niż wiele najnowszych elektrolizerów. Ponadto przy wysokiej gęstości prądu powyżej 50 mA CM-2 przewyższyło nawet najnowocześniejszy elektrolizer RUO2/NF (+) i 20% PT-C/NF (-NF), jednocześnie wykazując długoterminową stabilność, utrzymując swoją wydajność przez ponad 100 godzin.
Obliczenia teorii funkcjonalnej gęstości (DFT) poparły te ustalenia i wyjaśniły rolę domieszkowania B i dostosowywania zawartości P. W szczególności domieszkowanie B i optymalna zawartość P doprowadziły do skutecznej interakcji z pośrednicami reakcji, co prowadzi do wyjątkowej wydajności elektrokatalitycznej.
„Nasze ustalenia stanowią plan projektowania i syntezy katalizatorów nowej generacji, które mogą drastycznie obniżyć koszty produkcji wodoru”, mówi prof. Lee. „Jest to ważny krok w kierunku, aby produkcja zielonego wodoru na dużą skalę stała się rzeczywistością, która ostatecznie pomoże w zmniejszeniu globalnej emisji dwutlenku węgla i łagodzenie zmian klimatu.