Ni-based electrocatalysts for water oxidation and beyond
Ni-gebaseerde elektrokatalysatoren voor groene waterstof
Water-elektrolyse vormt een veelbelovende route voor duurzame waterstofproductie, vooral wanneer deze wordt aangedreven door hernieuwbare energiebronnen. Onder de bestaande technologieën biedt alkalische water-elektrolyse (AWE) aanzienlijke voordelen op het gebied van kosteneffectiviteit en katalysatorflexibiliteit. De efficiëntie ervan wordt echter beperkt door de trage zuurstofontwikkelingsreactie (OER). In haar proefschrift richt Jiahui Zhu zich op het rationeel ontwerpen en synthetiseren van Ni-gebaseerde elektrokatalysatoren met verbeterde OER-activiteit, duurzaamheid en schaalbaarheid.
Zhu presenteert een uitgebreid overzicht van de fundamentele principes van water-elektrolyse, prestatie-indicatoren en strategieën voor katalysatorontwikkeling. Ze laat vervolgens zien dat Fe-gemodificeerde Ni₃S₂-nanostructuren, gegroeid op Ni-schuim, uitzonderlijke OER-activiteit vertonen, waarbij slechts 230 mV nodig is om 100 mA·cm⁻² te bereiken en 500 mA·cm⁻² gedurende 100 uur wordt gehandhaafd. Deze prestaties worden toegeschreven aan de synergetische vorming van geleidend Ni₃S₂-raamwerk en oppervlakkige NiFe-(oxy)hydroxiden. Door deze benadering uit te breiden, vertonen Fe-geïntegreerde Ni₃Se₂-nanodraden geoptimaliseerde prestaties (250 mV bij 100 mA·cm⁻²) en schaalbaarheid in een 5 cm² AEM-elektrolyzer.
Daarnaast ontwikkelde Zhu een eenvoudige, energiezuinige zuur-etsstrategie om commercieel NiFe-schuim te activeren. De aldus verkregen katalysatoren vertoonden uitstekende activiteit (240 mV bij 100 mA·cm⁻²) en langdurige stabiliteit, wat het belang benadrukt van oppervlaktechemische afstemming. Naast watersplitsing evalueerde Zhu Fe-gemodificeerde en ongedoteerde chalcogeniden voor de elektrochemische oxidatie van 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), waarbij Fe-vrije Ni₃Se₂-katalysatoren superieure prestaties vertoonden met een FDCA-opbrengst van 96% en een Faradische efficiëntie van 92%.
Samenvattend biedt dit onderzoek nieuwe inzichten in de structuur–activiteitsrelatie van Ni-gebaseerde katalysatoren en toont het aan hoe Fe-integratie, chalcogeenidentiteit en schaalbare oppervlakte-engineering gezamenlijk bijdragen aan efficiënte en multifunctionele elektrokatalytische systemen voor groene waterstofproductie en biomassa-valorisatie.
Jiahui Zhu voerde haar onderzoek uit bij het Engineering and Technology institute Groningen (ENTEG), afdeling Producttechnologie, met financiering van het Chinese Scholarship Council. Ze vervolgt haar loopbaan als postdoc bij de Rijksuniversiteit Groningen.