Addizione bimetallica Co/Mo al biossido di manganese elettrolitico per la generazione di ossigeno in mezzo acido

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 15208 (2015) Citare questo articolo

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Un elettrocatalizzatore efficiente comprendente materiali poco costosi e abbondanti sulla terra per la reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) è fondamentale per lo sviluppo dell'elettrolisi dell'acqua. In questo lavoro, l'aggiunta in situ di ioni cobalto/molibdeno al biossido di manganese elettrolitico ha dimostrato di essere benefica per l'OER in soluzione acida poiché il suo sovrapotenziale ha funzionato meglio (305 mV) rispetto a quello del DSA® commerciale (341 mV) a 100 mA cm−2. L'OER è stato studiato a temperatura ambiente in una soluzione 2 M di H2SO4 sugli elettrodi EMD modificati (MnMoCoO). L'efficienza energetica degli elettrodi MnMoCoO è migliorata significativamente con la quantità di Co nella soluzione di placcatura. Per i catalizzatori elettrodepositati sono state condotte misurazioni fisico-chimiche ed elettrochimiche, comprese le sovrapotenziali statiche. Le migliori prestazioni dell'EMD modificato sono state attribuite a una migliore resistenza al trasferimento di carica (Rct; 0,290 Ω cm2), al fattore di rugosità medio (rf; 429) e alla diminuzione del contenuto di acqua nei catalizzatori elettrodepositati. I parametri cinetici ottenuti sui catalizzatori MnMoCoO sono stati confrontati e discussi in base alla concentrazione di cobalto.

L’idrogeno è una fonte di energia abbondante, rinnovabile e pulita ed è stato considerato una soluzione ai problemi derivanti dall’attuale economia insostenibile dei combustibili fossili. Recentemente, l’economia dell’idrogeno sta guadagnando l’attenzione degli enti governativi e delle principali compagnie petrolifere1,2,3,4,5,6,7,8. L'idrogeno può essere generato attraverso vari metodi tra cui termochimico, elettrochimico e biochimico9. Di tutti questi metodi disponibili, l'elettrolisi dell'acqua (tramite elettrochimica) è adatta per la produzione su larga scala di idrogeno. L'elettrolisi dell'acqua è un modo semplice per produrre idrogeno con elevata purezza a un prezzo economico quando è disponibile una fonte di energia per azionare l'elettrolisi, come l'energia solare o nucleare1.

L'elettrolisi dell'acqua consiste in due reazioni elettrochimiche, definite reazioni di evoluzione dell'idrogeno e dell'ossigeno (HER e OER). Il potenziale di equilibrio dell'elettrolisi dell'acqua è 1,23 V in condizioni standard, ma per portare l'elettrolisi a una velocità pratica sono necessari potenziali più elevati e questo viene convenzionalmente misurato come sovrapotenziale9. La differenza tra il potenziale di equilibrio e il potenziale a densità di corrente pratiche (ad esempio 100 mA cm−2) è chiamata polarizzazione o sovrapotenziale (η). Metalli come Pt ​​e Ru forniscono un'eccellente superficie catalitica nel ridurre il sovrapotenziale (η) per HER10. I catalizzatori più importanti appartengono ai metalli del gruppo del platino e vengono utilizzati per l'HER, inoltre gli ossidi del gruppo del platino11,12,13 vengono utilizzati per l'OER. Tuttavia, i metalli del gruppo del platino sono fortemente limitati dalla loro scarsità e dal costo elevato. Ad esempio, tecnologie come le celle a combustibile non possono essere ampliate perché richiedono catalizzatori costosi. L'elettrocatalizzatore più efficiente per l'OER sono gli elettrodi di ossido di metallo12,13 (RuO2 è il migliore13, anche IrO2 mostra buoni sovrapotenziali11). Gli ossidi presentano vantaggi rispetto alle controparti metalliche perché sono più stabili e non possono essere ulteriormente ossidati. Pertanto, il desiderio è quello di sviluppare un catalizzatore OER economico e privo di metalli nobili.

Con questo obiettivo, nel nostro attuale articolo, è stato studiato l'uso del biossido di manganese elettrolitico (EMD, tipo γ MnO2) con aggiunta in situ di ioni cobalto/molibdeno durante l'elettrodeposizione (chiamato EMD modificato) come potenziale catalizzatore verso il OER. L'EMD modificato riduce significativamente il sovrapotenziale del materiale EMD genitore. Un altro obiettivo di questo lavoro è indagare le ragioni della diminuzione della sovratensione riscontrata con questi elettrodi al variare del contenuto di Co nella soluzione del bagno. Per quanto ne sappiamo, i materiali EMD modificati (MEMD) con Co come additivo non sono stati segnalati in precedenza. I biossidi di manganese elettrolitici sono un'area ben studiata nello stoccaggio dell'energia14 e come catalizzatori per sopprimere la reazione di evoluzione del cloro15,16,17,18,19 nell'elettrolisi dell'acqua di mare. Questi studi supportano il concetto di questo materiale per applicazioni elettrochimiche.