Multi-heteroatom-doped carbon from waste-yeast biomass for sustained water splitting

制氢 分解水 化学工程 废物管理 化学 材料科学 工程类 催化作用 光催化 有机化学
作者
Jitendra N. Tiwari,Ngoc Kim Dang,Siraj Sultan,Pandiarajan Thangavel,Hu Young Jeong,Kwang S. Kim
出处
期刊:Nature sustainability [Nature Portfolio]
卷期号:3 (7): 556-563 被引量:269
标识
DOI:10.1038/s41893-020-0509-6
摘要

Producing hydrogen in clean, affordable and safe manners without damaging the environment can help address the challenge of meeting a growing energy demand sustainably. Yeast biomass-derived materials—such as multi-heteroatoms (nitrogen, sulfur and phosphorus) doped carbon (MHC) catalysts from waste biomass—can help develop efficient, eco-friendly and economical catalysts to improve the sustainability of hydrogen production. Here we report hydrogen and oxygen production in 1 M potassium hydroxide using ruthenium single atoms (RuSAs) along with Ru nanoparticles (RuNPs) embedded in MHC (RuSAs + RuNPs@MHC) as a cathode and magnetite (Fe3O4) supported on MHC (Fe3O4@MHC) as an anode. The RuSAs + RuNPs@MHC catalyst outperforms the state-of-the-art commercial platinum on carbon catalyst for hydrogen evolution reaction in terms of overpotential, exchange current density, Tafel slope and durability. Furthermore, compared with industrially adopted catalysts (that is, iridium oxide), the Fe3O4@MHC catalyst displays outstanding oxygen evolution reaction activity. For whole water splitting, it requires a solar voltage of 1.74 V to drive ~ 30 mA, along with remarkable long-term stability in the presence (12 h) and absence (58 h) of outdoor-sunlight exposure, as a promising strategy towards a sustainable energy development. Cleaner hydrogen production can help energy sustainability. The use of yeast biomass-derived materials to develop efficient, eco-friendly and economical catalysts—compared with industrially adopted catalysts—is shown to improve hydrogen production as a strategy towards a sustainable energy system.
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