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Growing concern about the energy crisis and the seriousness of environmental contamination urgently demand the development of renewable energy sources as feasible alternatives to diminishing fossil fuels. Owing to its high energy density and environmentally friendly characteristics, molecular hydrogen is an attractive and promising energy carrier to meet future global energy demands. In many of the approaches for hydrogen production, the electrocatalytic hydrogen evolution reaction (HER) from water splitting is the most economical and effective route for the future hydrogen economy. To accelerate the sluggish HER kinetics, particularly in alkaline electrolytes, highly active and durable electrocatalysts are essential to lower the kinetic HER overpotential. As a benchmark HER electrocatalyst with a zero HER overpotential, the precious metal platinum (Pt) plays a dominant role in present H₂-production technologies, such as water-alkali electrolysers. Unfortunately, the scarcity and high cost of Pt seriously impede its large-scale applications in electrocatalytic HERs.

Prof. Xinliang Feng’s team from the Technische Universität Dresden (Germany)/ Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), in collaboration with the University Lyon, ENS de Lyon, Centre national de la recherche scientifique (CNRS, France), the Tohoku University (Japan) and the Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems (IKTS) (Germany), have reported a low-cost MoNi₄ electrocatalyst anchored on MoO₂ cuboids, which are vertically aligned on nickel foam (MoNi₄/MoO₂@Ni). MoNi₄ nanoparticles are constructed in situ on the MoO₂ cuboids by controlling the outward diffusion of Ni atoms. The resultant MoNi₄/MoO₂@Ni exhibits a high HER activity that is highly comparable to that of the Pt catalyst and presents state-of-the-art HER activity amongst all reported Pt-free electrocatalysts. Experimental investigations reveal that the MoNi₄ electrocatalyst behaves as the highly active centre and manifests fast Tafel step-determined HER kinetics. Furthermore, density functional theory (DFT) calculations determine that the kinetic energy barrier of the Volmer step for the MoNi₄ electrocatalyst is greatly decreased. The large-scale preparation and excellent catalytic stability provide MoNi₄/MoO₂@Ni with a promising utilization in water-alkali electrolysers for hydrogen production. Therefore, the exploration and understanding of the MoNi₄ electrocatalyst provide a promising alternative to Pt catalysts for emerging applications in energy generation.

Reference:

Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics. J. Zhang, T. Wang, P. Liu, Z. Liao, S. Liu, X. Zhuang, M. Chen, E. Zschech, X. Feng* Nat. Commun.

This work was financially supported by the ERC Grant on 2DMATER and EC under Graphene Flagship (No. CNECT-ICT-604391).

DOI: 10.1038/NCOMMS15437

Link: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS15437

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Figure. a) Synthetic scheme of MoNi₄ electrocatalyst supported by the MoO₂ cuboids on nickel foam; b) polarization curves of the MoNi₄ electrocatalyst supported by the MoO₂ cuboids, pure Ni nanosheets and MoO₂ cuboids on the nickel foam; c) calculated adsorption free energy diagram for the Tafel step.

Download: http://bit.ly/2qnEolD

Press Contact

Prof. Xinliang Feng
Technische Universität Dresden
cfaed Chair of Molecular Functional Materials
Phone: +49 351 463-43251
E-mail: xinliang.feng@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed Communications Officer
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

Deutsche Version

Neuartiges Verfahren setzt Standard bei platinfreien Elektrokatalysatoren zur Synthese von molekularem Wasserstoff 

Forschungsarbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht

Eine aktuelle Forschungsarbeit des Lehrstuhls für Molekulare Funktionsmaterialien (Prof. Xinliang Feng), Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden, die in Zusammenarbeit mit Forschern an Universitäten und Instituten in Deutschland, Frankreich und Japan entstand, wurde am 17. Mai 2017 in Nature Communications veröffentlicht. Das Papier mit dem Titel "Efficient hydrogen production on MoNi₄ electrocatalysts with fast water dissociation kinetics" beschreibt einen neuen Ansatz zur Produktion von molekularem Wasserstoff, welches diesen Prozess revolutionieren könnte. Das Gas gilt als einer der vielversprechendsten Energieträger der Zukunft.

Ein wachsendes Bewusstsein hinsichtlich der Probleme traditioneller Energieträger verlangt nach der gezielten Entwicklung von erneuerbaren Energiequellen, als Alternative für die begrenzten fossilen Brennstoffe. Wegen seiner hohen Energiedichte und umweltfreundlichen Eigenschaften ist molekularer Wasserstoff ein attraktiver und vielversprechender Energiespeicher für die künftige globale Energienachfrage. Unter den verschiedenen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff stellt die elektrokatalytische Erzeugung durch Wasserspaltung (Wasserstoffentwicklungsreaktion, engl.: HER) das effektivste Verfahren für die zukünftige Wasserstoffökonomie dar.

Um die Geschwindigkeit der üblicherweise langsam ablaufenden HER – besonders in basischen Elektrolyten – anzuheben, werden hoch aktive und robuste Elektrokatalysatoren benötigt, um die kinetische HER-Überspannung zu senken. Als Messlatte der HER-Elektrokatalysatoren mit einer Überspannung von Null gilt das Edelmetall Platin, welches die dominante Rolle in der H₂-Produktionstechnologie spielt, wie zum Beispiel in der Wasser-Alkali-Elektrolyse. Knappheit und hohe Beschaffungskosten hindern jedoch die großtechnische Anwendung in der elektrokatalytischen HER.

Professor Xinliang Feng (Lehrstuhl für Molekulare Funktionsmaterialien) und sein Team vom Center for Advancing Electronics Dresden an der TU Dresden haben in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) Dresden und internationalen Partnern von der Universität Lyon (ENS de Lyon), Centre national de la recherche scientifique (CNRS, beide Frankreich) und der Tohoku University (Japan) nun einen günstigen Elektrokatalysator hergestellt, welcher auf Molybdän-Nickel (MoNi₄) basiert, das wiederum auf Molybdän-Oxid-Kuboiden (MoO₂) verankert ist. Diese Kleinststrukturen werden vertikal auf einem Nickelschaum ausgerichtet (MoNi₄/MoO₂@Ni).

Die MoNi₄-Nanopartikel werden in situ auf den MoO₂-Kuboiden gezüchtet, indem Nickelatome nach außen diffundieren. Das entstehende Material MoNi₄/MoO₂@Ni hat eine sehr hohe HER-Aktivität, die vergleichbar mit denen der Platinkatalysatoren ist, und setzt damit eine neue Kennmarke unter den platinfreien Elektrokatalysatoren. Experimentell konnten die MoNi₄-Kerne als katalytisch hochaktive Zentren ausgemacht werden. Darüber hinaus wurde mit theoretischen Berechnungen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) aufgezeigt, dass die Energiebarriere der Volmer-Stufe für die MoNi₄-Elektrokatalysatoren stark gesenkt ist. Die Möglichkeit, diesen Elektrokatalysator in einem großen Maßstab herzustellen, sowie die exzellente katalytische Stabilität zeigen MoNi₄/MoO₂@Ni als eine vielversprechende Alternative in der Wasser-Alkali-Elektrolyse für die Wasserstoffproduktion auf. Die weitere Erforschung von MoNi₄-Elektrokatalysatoren weist daher den Weg zu einer hoffnungsvollen Methode für eine zukünftige Anwendung in der Energieerzeugung.

Referenz

Efficient hydrogen production on MoNi4 electrocatalysts with fast water dissociation kinetics. J. Zhang, T. Wang, P. Liu, Z. Liao, S. Liu, X. Zhuang, M. Chen, E. Zschech, X. Feng* Nat Commun.

Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch den Fond 2DMATER des Europäischen Forschungsrates (ERC) und die EU innerhalb des „Graphene Flagship“-Programms (No. CNECT-ICT-604391).

DOI: 10.1038/NCOMMS15437

Link: http://dx.doi.org/10.1038/NCOMMS15437

Pressebild

Abbildung. a) Syntheseschema von MoNi₄-Elektrokatalysatoren geträgert auf MoO₂-Kuboiden auf einem Nickelschaum; b) Polarisierungskurven des MoNi₄-Elektrokatolysators auf MoO₃-Kuboiden, der reinen Nickelnanoschichten und von MoO₂-Kuboiden auf Nickelschaum; c) Berechnete Adsorptions-Freie-Energie-Diagramm für den Tafel-Schritt.

Download unter: http://bit.ly/2qnEolD

Pressekontakt

Prof. Xinliang Feng
Technische Universität Dresden
cfaed Lehrstuhl für Molekulare Funktionsmaterialien 
Phone: +49 351 463-43251
Mail: xinliang.feng@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed Referent für Wissenschaftskommunikation
Phone: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de