Ein Forschungsteam der Gyeongsang National University hat einen gepulst-laserhergestellten Ruthenium@Kohlenstoff-Katalysator entwickelt, der die Effizienz der Hydrazin-unterstützten Wasserstoffproduktion erheblich steigert. Die in eScience im September 2025 veröffentlichte Studie zeigt, wie der optimierte Ru@C-200-Katalysator ultraniedrige Überspannungen sowohl für die Wasserstoffentwicklung als auch für die Hydrazinoxidation erreicht. Dies ermöglicht hohe Wasserstoffausbeuten bei außergewöhnlich niedrigen Spannungen und gleichzeitig den Abbau von toxischem Hydrazin.
Die Forscher synthetisierten das Ruthenium@Kohlenstoff-Material mithilfe einer gepulsten Laserablation-in-Flüssigkeit-Strategie, die gleichmäßige Ru-Nanosphären erzeugte, die in graphitischen Kohlenstoffhüllen verkapselt sind. Unter allen Proben zeigte Ru@C-200 die günstigste Balance aus Leitfähigkeit, struktureller Stabilität und elektronisch gekoppelten Metall-Kohlenstoff-Grenzflächen. Dieses optimierte Design ermöglichte eine niedrige Überspannung von 48 mV für die Wasserstoffentwicklung und nur 8 mV für die Hydrazinoxidation bei 10 mA cm⁻², was konventionelle Elektrokatalysatoren deutlich übertrifft.
Umfassende Charakterisierungen bestätigten den kubisch-flächenzentriert strukturierten metallischen Ru-Kern und die verbesserte Ordnung der Kohlenstoffhülle bei höheren Laserenergien. In-situ-Analysen zeigten, dass metallische Ru-Stellen für die Wasserstoffentwicklung verantwortlich sind, während oberflächengenerierte RuOOH-Spezies die Hydrazinoxidation antreiben. Die vollständige Studie ist verfügbar unter https://doi.org/10.1016/j.esci.2025.100408.
Beim Test in einem Hydrazin-Spaltungselektrolyseur benötigte ein Ru@C-200‖Ru@C-200-Paar nur 0,11 V, um 10 mA cm⁻² zu erreichen, und blieb über 100 Stunden stabil. Das Team demonstrierte weiterhin eine wiederaufladbare Zn-Hydrazin-Batterie, die in der Lage ist, die Wasserstoffproduktion unabhängig zu betreiben. Die Batterie erreichte einen Wirkungsgrad von 90 % und blieb über 600 Lade-Entlade-Zyklen stabil. Diese Ergebnisse unterstreichen, wie konstruierte Ru-C-Grenzflächen gleichzeitig Aktivität, Selektivität und Haltbarkeit für anodische und kathodische Reaktionen verbessern.
Laut dem Forschungsteam zeichnet sich der Ru@C-200-Katalysator durch seine seltene Kombination aus niedrigem Energieverbrauch, langfristiger Haltbarkeit und bifunktionaler katalytischer Fähigkeit aus. Eine starke elektronische Kopplung zwischen dem Rutheniumkern und der Kohlenstoffhülle spielt eine entscheidende Rolle bei der Beschleunigung des Ladungstransfers und der effizienten Aktivierung von Hydrazin- und wasserstoffbezogenen Zwischenprodukten. Dieses grenzflächenoptimierte Design zeigt, wie ein einziger multifunktionaler Katalysator die doppelten Anforderungen der Senkung der Wasserstoffproduktionskosten und der Beseitigung gefährlicher Hydrazin-Schadstoffe adressieren kann.
Das Ru@C-basierte katalytische System bietet einen überzeugenden Weg für die Wasserstoffproduktion bei Spannungen, die dramatisch niedriger sind als bei traditioneller Elektrolyse, was erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht. Seine Fähigkeit, Hydrazin vollständig zu oxidieren und gleichzeitig Wasserstoff zu erzeugen, positioniert ihn als praktische Lösung für Industrien, die hydrazinreiches Abwasser behandeln. Die erfolgreiche Kopplung mit einer wiederaufladbaren Zn-Hydrazin-Batterie veranschaulicht ein selbstversorgtes Modell, bei dem Wasserstoffproduktion, Abfallbehandlung und Energiespeicherung gleichzeitig erfolgen.
Dieser Ansatz könnte die Einführung sichererer, effizienterer Wasserstoffinfrastrukturen beschleunigen und neue Hydrazin-unterstützte Technologien inspirieren, die auf saubere Energieumwandlung und Umweltremediation zugeschnitten sind. Die Ergebnisse heben eine vielversprechende Strategie hervor, um grüne Energieerzeugung mit Schadstoffentfernung mithilfe eines einzigen multifunktionalen Elektrokatalysators zu kombinieren, was möglicherweise transformiert, wie Industrien sowohl Energieproduktion als auch Abwassermanagement angehen.
