Sauerstoff-Gewinnung mittels edelmetallfreier Elektrokatalysatoren

Kobalt-Poly(Heptazin Imide) als Übergangsmetall-Nx-Elektrokatalysatoren

Forscher von vier Institutionen in UniSysCat haben (so eine Medienmitteilung am 11.03.2020) einen edelmetallfreien Elektrokatalysator für die Sauerstoff-Evolutions-Reaktion (OER) entwickelt. Poly(Heptazin Imide) aus der Familie der Karbon-Nitride mit Kobaltionen als Gegenkationen könen als vielversprechende Elektrokatalysatoren für die Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (OER) eingesetzt werden. Zur Herstellung solcher Kobalt-Poly(Heptazin Imide) (PHI-Co) wird eine einfache schmelzunterstützte Mischsalzkondensation entwickelt. Die Co-Ionen können mit dieser Methode in gut kontrollierten Mengen eingebracht werden und sind nachweislich in der imidverknüpften Heptazin-Matrix atomar dispergiert.

Die Wasserspaltung ist eine nachhaltige und kostengünstige Methode, um saubere Energie zu gewinnen. In diesem Prozess ist die Sauerstoff-Evolutions-Reaktion (OER) aufgrund ihrer langsamen Kinetik, die aus einem Vier-Elektronen-Oxidationsprozess stammt, die anspruchsvollere Halbreaktion. Tatsächlich hat der langsame Fortschritt bei der Optimierung dieser Halbreaktion die Entwicklung von Wasserspaltungsvorrichtungen insgesamt weitgehend behindert. Darüber hinaus basieren die bisher leistungsstärksten OER-Katalysatoren auf Edelmetallen (z.B. Ir und Ru), deren Einsatz aufgrund der hohen Kosten und der Knappheit insbesondere bei großtechnischen Anwendungen begrenzt ist. Daher ist die Erforschung von Hochleistungs-Edelmetallfreien Elektrokatalysatoren für die OER zu einer der größten Herausforderungen im Bereich der Elektrokatalyse geworden.

Kürzlich wurde gezeigt, dass Kohlenstoffmaterialien mit Übergangsmetall-Nx-Stellen bei verschiedenen elektrokatalytischen Reaktionen aktiv sind. Es wurde berichtet, dass in diesen Materialien Metallspezies synergistisch mit Stickstoffatomen interagieren, um die lokale elektronische Struktur des Katalysators zu modifizieren und folglich die Oberflächenadsorption von Zwischenprodukten zu optimieren. Daher ist die Aktivität von Übergangsmetall-Nx-Katalysatoren bei verschiedenen elektrokatalytischen Reaktionen oft mit der von Edelmetallkatalysatoren vergleichbar. Folglich ist das Design von Elektrokatalysatoren mit reichlich und gut dispergierten aktiven Metall-Nx-Stellen ein vielversprechender Ansatz für hochleistungsfähige edelmetallfreie Elektrokatalysatoren. In solchen Metall-Nx-C-Systemen ist jedoch die Menge, Dispersion und Art des Stickstoff-Dotierungsmittels in der Kohlenstoffmatrix relativ schwierig zu identifizieren und zu kontrollieren. In dieser Hinsicht sind Kohlenstoffnitride interessante Kandidaten als Trägermaterialien für Übergangsmetall-Nx-Katalysatoren, da ihre reichlich vorhandenen und strukturell definierten Stickstoffverbindungen eine hohe Anzahl von Kopplungsstellen bieten. Wegen der relativ geringen Leitfähigkeit und elektrochemischen Stabilität von Kohlenstoffnitriden müssen diese Materialien für elektrokatalytische Anwendungen jedoch meist mit Kohlenstoffmaterialien gemischt werden. (Übersetzt mit DeepL.com/Translator)

Das Material Poly(heptazinimid) ist ein organisches Gerüst mit anionischen Einheiten im Rückgrat, in das Co-Ionen in gut kontrollierbaren Mengen eingebracht werden können. Solche Kobalt-Poly(Heptazin Imide) können durch einfaches Erhitzen eines organischen Vorläufers in einer gemischten Salzschmelze, die ein Kobaltsalz enthält, hergestellt werden, also durch einen einfachen, billigen und skalierbaren Ansatz.

Aufgrund der verbesserten Leitfähigkeit und der reichlich vorhandenen, gut verteilten katalytisch aktiven Co-Nx-Stellen weisen diese Kobalt-poly(Heptazin Imide) eine ausgezeichnete OER-Aktivität und Stabilität auf.

Die Arbeit von UniSysCat bietet einen neuartigen Ansatz für die Entwicklung von Hochleistungs-Elektrokatalysatoren mit einstellbaren und hochdispergierten Metall-Nx-Stellen durch die Anwendung von Poly(Heptazin Imiden) als Trägermaterial.

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