27 نوامبر 2023 -توسط انتشارات دانشگاه Tsinghua
ماگادیت خاک رس طبیعی حاوی سیلیکون (Si) در یک ظرف مهر و موم شده در محلول پایه آب حاوی کلرید آهن (FeCl3) و کلرید نیکل (NiCl2) حرارت داده شد تا یک سیلیکات فلزی متشکل از نیکل (Ni)، آهن (Fe) و آهن ایجاد شود. سی سیلیکات فلزی سپس با افزودن الکترون‌ها به اتم‌های سیلیکات فلزی با منیزیم، نمک و گرما کاهش یافت تا ساختار سیلیسید بین‌فلزی سازمان‌یافته‌تر (سیلیسید آهن-نیکل) ایجاد شود. این نمودار ولتاژ کمتر مورد نیاز برای الکتروکاتالیست آلیاژ آهن نیکل سیلیسید (FeNiSi) برای تولید گاز هیدروژن و اکسیژن را در مقایسه با آلیاژهای NiSi و FeSi نشان می دهد. اعتبار: انرژی تحقیقاتی نانو، انتشارات دانشگاه تسینهوا
یک الکتروکاتالیست جدید ساخته شده از نیکل (Ni)، آهن (Fe) و سیلیکون (Si) که میزان انرژی مورد نیاز برای سنتز H2 از آب را کاهش می دهد، به روشی ساده و مقرون به صرفه ساخته شده است که عملی بودن H2 را افزایش می دهدکه انرژی های پاک و تجدید پذیر آینده است.
هیدروژن یک گاز بسیار قابل احتراق است که اگر به روشی مسئولانه از نظر زیست محیطی تولید شود، می تواند به جهان در دستیابی به اهداف انرژی پاک خود کمک کند. مانع اصلی برای ایجاد گاز هیدروژن از آب، مقدار زیادی انرژی مورد نیاز برای الکترولیز آب یا تقسیم مولکول های آب به گاز هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) است.
یشتر H2 که امروزه تولید می شود از سوخت های فسیلی مشتق می شود که به گرمایش جهانی کمک می کند. ساخت H2 از آب از طریق واکنش تکامل هیدروژن (HER) نیازمند استفاده از یک کاتالیزور یا عاملی است که میزان انرژی مورد نیاز برای یک واکنش شیمیایی را کاهش می دهد. تا همین اواخر، این کاتالیزورها از فلزات خاکی کمیاب مانند پلاتین ساخته می شدند که باعث کاهش هزینه و عملی بودن تولید هیدروژن پاک می شد.
گروهی از دانشمندان مواد از دانشگاه صنعتی دالیان در دالیان، چین، یک الکتروکاتالیست یا کاتالیزوری که از الکتریسیته استفاده می‌کند، با استفاده از مواد و روش‌های ارزان قیمت برای کاهش موثر انرژی مورد نیاز برای تولید H2 تمیز از آب، ساختند. نکته مهم این است که آلیاژ یا مخلوط آهن نیکل سیلیسید (FeNiSi)، همچنین انرژی مورد نیاز برای تولید O2 از آب را کاهش می دهد و کاتالیزور را دو عملکردی می کند.
محققان مطالعه خود را در Nano Research Energy منتشر کردند.
“آنچه که توسعه و کاربرد عملی فناوری الکترولیز آب را واقعاً محدود می کند، مواد الکتروکاتالیستی است. در حال حاضر، کاتالیزورهای رایج، مانند فلزات گرانبها… بیشتر کاتالیزورهای تک کاره هستند، که کاربرد عملی الکترولیز آب را برای تولید هیدروژن محدود می کند. بنابراین، ییفو ژانگ، نویسنده ارشد این مطالعه و محقق در دانشکده شیمی دانشگاه صنعتی دالیان، گفت: تحقیق و توسعه مواد الکتروکاتالیستی دو منظوره کارآمد، پایدار، ارزان و سازگار با محیط‌زیست یک هدف اولیه در زمینه الکتروکاتالیزور است.
آلیاژهای سیلیسید فلزات واسطه ترکیبات منحصر به فردی هستند که معمولاً در زمینه های مرتبط با انرژی استفاده می شوند، ارزان تولید می شوند و به عنوان الکتروکاتالیست های هیدرولیز آب بالقوه امیدوار کننده هستند. این آلیاژها از فلزات واسطه، که کاتالیزورهای عالی هستند که آزادانه الکترون‌ها را در واکنش‌های شیمیایی اهدا کرده و می‌پذیرند، و اتم‌های Si که پایداری، مقاومت حرارتی و دسترسی اتم‌های فلزات واسطه آلیاژی را هنگام اعمال الکتریسیته افزایش می‌دهند، ساخته شده‌اند.
آهن و نیکل، دو فلز واسطه، برای استفاده در سیلیسید فلزات واسطه برای تقسیم آب مناسب هستند. سیلیسید نیکل به دلیل مقاومت کم و فعالیت فلزی بالا به ویژه در زمینه های الکتروشیمیایی عمیقاً مورد مطالعه قرار گرفته است. علاوه بر این، بسیاری از مطالعات اخیر نشان داده اند که مواد مبتنی بر Fe-Ni دارای پتانسیل قابل توجهی در زمینه تقسیم آب الکتروشیمیایی هستند. ژانگ گفت: از این کار توسعه یک مسیر کم هزینه و سازگار با محیط زیست برای تهیه سیلیسید نیکل آهن به عنوان یک کاتالیزور آب الکترولیتی دو منظوره (EWS) بود.
تیم تحقیقاتی FeNiSi را در دو مرحله تولید کرد. ابتدا ماگادیت خاک رس طبیعی، منبع سیلیکون، کلرید آهن و کلرید نیکل تحت فشار حرارت داده شد تا یک سیلیکات آهن نیکل ایجاد شود. سپس سیلیکات آهن نیکل با منیزیم و کلرید سدیم (نمک خوراکی) ترکیب و حرارت داده شد تا ساختار منظم آلیاژ FeNiSi ایجاد شود. نکته مهم این است که این اولین باری بود که یک آلیاژ سیلیسید فلزی با استفاده از این نوع واکنش شیمیایی با استفاده از سیلیکات های فلزی به عنوان ماده واکنش ساخته شد.
میکروسکوپ الکترونی و تکنیک‌های مشخصه‌یابی اشعه ایکس نشان داد که فرآیند تولید ساختارهای منفذی بسیاری را در آلیاژ FeNiSi نهایی ایجاد می‌کند و سطح آن و عملکرد کلی الکتروکاتالیستی را افزایش می‌دهد. آلیاژ FeNiSi پتانسیل لازم برای تقسیم اکسیژن و هیدروژن از آب را به ترتیب 308 میلی ولت برای واکنش تکامل اکسیژن (OER) و 386 میلی ولت برای HER در جریان 10 mA·cm-2 کاهش می دهد.
کاتالیزور نیز پس از 15 ساعت استفاده، دوام کافی را نشان داد.
تیم تحقیقاتی مشتاقانه منتظر FeNiSi و سایر سیلیکات‌های فلزات واسطه هستند که در سنتز گاز هیدروژن پاک برای نیازهای انرژی آینده مشارکت داشته باشند.
“این کار نه تنها یک روش آسان برای سنتز سیلیسید بین فلزی با ساختارهای متخلخل قابل توجه ارائه می دهد، بلکه به سیلیسید بین فلزی اجازه می دهد تا به عنوان یک الکتروکاتالیست دو کاره برای EWS در نظر گرفته شود. الکتروکاتالیست های سیلیسید بین فلزی کم هزینه و کارآمد فرصت های جدیدی را برای …تبدیل انرژی.
سایر مشارکت کنندگان عبارتند از Xuyang Jing، Yang Mu، Zhanming Gao و Xueying Dong از دانشکده شیمی در دانشگاه صنعتی دالیان در دالیان، چین. چانگگونگ منگ از دانشکده شیمی و دانشکده مهندسی محیط زیست و شیمی در دانشگاه صنعتی دالیان؛ و چی هوانگ از کالج شیمی و علوم مولکولی در دانشگاه ووهان در ووهان، چین.
