Efficient oxygen evolution reaction of FeCoNiWx medium entropy alloy film electrodes for water splitting

De wereld hunkert naar schone energie, en een van de meest veelbelovende manieren om deze te verkrijgen is door water te splitsen in waterstof en zuurstof met behulp van elektriciteit. Dit proces, bekend als watersplitsing, kan hernieuwbare energie van de zon of wind omzetten in een brandstof die zonder koolstofemissies brandt. Echter, het proces heeft een hardnekkige flessenhals: het maken van zuurstof uit water is traag en moeilijk. Het vereist een aanzienlijke energiepush, bekend als overpotentiaal, om de reactie op gang te krijgen. Om deze technologie praktisch te maken, hebben wetenschappers materialen nodig die als efficiënte katalysatoren kunnen fungeren, waardoor de reactie wordt versneld zonder energie te verspillen. Decennialang waren de beste presteerders gemaakt van zeldzame en dure metalen zoals ruthenium en iridium. De uitdaging voor de moderne wetenschap is om een substituut te vinden die goedkoop, overvloedig en even effectief is, bij voorkeur gemaakt van veelvoorkomende metalen zoals ijzer, kobalt en nikkel.

Een team onderzoekers van de Beihang Universiteit en de Xinyang Normalistische Universiteit heeft een stap gezet naar het oplossen van dit probleem door een nieuw type dunne metaalfilm te ontwerpen. Ze richtten zich op een klasse materialen die medium-entropie legeringen worden genoemd, mengsels van verschillende metalen die unieke lokale omgevingen creëren voor chemische reacties. Terwijl eerdere studies hadden gekeken naar het mengen van vier of vijf metalen, besloot dit team een specifieke combinatie van ijzer, kobalt en nikkel te testen, en vervolgens zorgvuldig een vierde ingrediënt toe te voegen: wolfraam. Door de hoeveelheid wolfraam in het mengsel te veranderen, wilden ze het "sweet spot" te vinden waar het materiaal het meest efficiënt wordt in het genereren van zuurstof. Het resultaat is een film die niet alleen beter presteert dan zijn voorgangers, maar ook onthult hoe de toevoeging van een enkel element fundamenteel de manier verandert waarop elektronen bewegen en interageren tijdens de reactie.

De onderzoekers maakten hun materialen met een techniek genaamd magnetron-sputteren, wat inhoudt dat een doelmateriaal in een vacuüm met ionen wordt beschoten om een dunne, uniforme laag op een sponsachtige nikkelfoam-substraat te deponeren. Ze begonnen met een basisfilm van ijzer, kobalt en nikkel, en creëerden vervolgens een reeks monsters door verschillende aantallen wolfraam-targets toe te voegen aan het sputterproces. Hierdoor konden ze films produceren met variërende hoeveelheden wolfraam, variërend van helemaal geen tot een zeer hoge concentratie. Zodra de films waren gemaakt, onderwierpen ze deze aan een rigoureus testproces in een oplossing van kaliumhydroxide, een veelgebruikte alkalische vloeistof om deze reacties te faciliteren. Om de materialen stabiel en klaar voor meting te maken, lieten ze de elektrische stroom meerdere keren door de films lopen, een proces dat het oppervlak van de katalysator effectief "reconstrueerde", waardoor het transformeerde van een gladde film naar een getextureerde, bloemachtige structuur bedekt met minuscule nanopartikels.

De resultaten toonden een duidelijk patroon: de hoeveelheid wolfraam deed er enorm toe. Het team mat hoeveel extra spanning er nodig was om de reactie bij een specifieke snelheid aan te drijven. Het monster zonder wolfraam vereiste een relatief hoge energiepush. Naarmate ze meer wolfraam toevoegden, daalde de benodigde energie gestaag, waarbij het laagste punt werd bereikt met een specifieke compositie waar de ratio van ijzer, kobalt, nikkel en wolfraam ongeveer één op één op één op vijf was. Dit optimale monster had slechts 264 millivolt aan extra spanning nodig om de taak te volbrengen, een significante verbetering ten opzichte van de ongedoteerde versie. De onderzoekers ontdekten echter dat het toevoegen van zelfs nog meer wolfraam voorbij dit punt de prestaties deed afnemen, wat suggereert dat er een precieze limiet is aan hoeveel van dit element gunstig kan zijn voordat het de actieve plaatsen verstopt of de structuur verstoort.

Om te begrijpen waarom deze specifieke mengeling zo goed werkte, keken de wetenschappers nauwgezet naar de fysieke en chemische veranderingen die optraden. Onder een microscoop onthulde de best presterende film een oppervlak bedekt met kleine, poreuze, bloemachtige structuren die veel kleiner en talrijker waren dan die op de andere monsters. Dit vergrote oppervlak betekende dat er meer plaatsen waren waar watermoleculen zich aan konden hechten en reageren. Maar de fysieke vorm was slechts een deel van het verhaal. Door de energietoestanden van de elektronen binnen het materiaal te analyseren, ontdekte het team dat de wolfraamatomen fungeerden als een katalysator voor de katalysator zelf. Het wolfraam trok elektronen weg van de ijzeratomen en duwde ze naar de nikkel- en kobaltatomen. Deze verschuiving hielp bij het creëren van hoogactieve vormen van ijzer die uitstekend zijn in het aansturen van de reactie. Bov�elijk verhoogde de aanwezigheid van wolfraam het energieniveau van de elektronen van de nikkelatomen, waardoor ze effectiever binden met de tussenstappen van de reactie, wat het hele proces versnelde.

De studie bevestigde ook dat deze verbeteringen geen vluchtig effect waren. Wanneer de onderzoekers het beste monster gedurende een lange periode testten, behield het zijn prestaties met bijna geen verlies in efficiëntie, wat bewees dat het materiaal duurzaam genoeg is voor echt wereldgebruik. De bevindingen suggereren dat wetenschappers, door de samenstelling van deze metaallegeringen zorgvuldig af te stemmen, materialen kunnen ontwerpen die veel efficiënter zijn dan de willekeurige mengsels die vaak in het verleden werden gebruikt. Het werk benadrukt dat de toevoeging van wolfraam niet louter een passieve vulstof is, maar een actieve regulator die het elektronische landschap van de katalysator hervormt. Dit inzicht biedt een duidelijk pad voor het ontwerpen van de volgende generatie watersplitsingsapparaten, waarmee men dichter bij een toekomst komt waarin schone waterstofbrandstof efficiënt en betaalbaar kan worden geproduceerd.