Een nanogestructureerd composietmateriaal ontwikkeld aan de UC Santa Cruz heeft indrukwekkende prestaties laten zien als katalysator voor de elektrochemische splitsing van water om waterstof te produceren. Een efficiënt, goedkope katalysator is essentieel om de belofte van waterstof als schone, milieuvriendelijke brandstof.

Onderzoekers onder leiding van Shaowei Chen, hoogleraar scheikunde en biochemie aan de UC Santa Cruz, hebben het gebruik van op koolstof gebaseerde nanogestructureerde materialen onderzocht als katalysatoren voor de reactie waarbij waterstof uit water wordt gegenereerd. In een recente studie, ze behaalden goede resultaten door rutheniumionen op te nemen in een bladachtige nanostructuur bestaande uit koolstofnitride. De prestaties werden verder verbeterd door het met ruthenium gedoteerde koolstofnitride te combineren met grafeen, een bladachtige vorm van koolstof, om een ​​gelaagde composiet te vormen.

"De bindingschemie van ruthenium met stikstof in deze nanogestructureerde materialen speelt een sleutelrol in de hoge katalytische prestaties, " Zei Chen. "We hebben ook aangetoond dat de stabiliteit van de katalysator zeer goed is."

De nieuwe bevindingen werden gepubliceerd in ChemSusChem , een toptijdschrift over duurzame chemie en energiematerialen, en de krant staat op de omslag van het nummer van 10 januari. Eerste auteur Yi Peng, een afgestudeerde student in Chen's lab, leidde het onderzoek en ontwierp de omslagafbeelding.

Waterstof is al lang aantrekkelijk als schone en hernieuwbare brandstof. Een waterstofbrandstofcel die een elektrisch voertuig aandrijft, bijvoorbeeld, geeft alleen waterdamp af. Momenteel, echter, waterstofproductie is nog steeds sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen (meestal met behulp van stoom om het uit aardgas te winnen). Het vinden van een goedkope, efficiënte manier om waterstof uit water te halen door middel van elektrolyse zou een grote doorbraak zijn. Elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zoals zonne- en windenergie, die intermitterend en onbetrouwbaar kan zijn, zou dan gemakkelijk als waterstofbrandstof kunnen worden opgeslagen en gedistribueerd.

Momenteel, de meest efficiënte katalysatoren voor de elektrochemische reactie die waterstof uit water genereert, zijn gebaseerd op platina, wat schaars en duur is. Op koolstof gebaseerde materialen zijn veelbelovend gebleken, maar hun prestaties komen niet in de buurt van die van op platina gebaseerde katalysatoren.

In het nieuwe composietmateriaal ontwikkeld door Chen's lab, de rutheniumionen ingebed in de koolstofnitride nanosheets veranderen de verdeling van elektronen in de matrix, het creëren van meer actieve plaatsen voor de binding van protonen om waterstof te genereren. Door grafeen aan de structuur toe te voegen, wordt de herverdeling van elektronen verder verbeterd.

"Het grafeen vormt een sandwichstructuur met de koolstofnitride-nanobladen en resulteert in een verdere herverdeling van elektronen. Dit geeft ons een grotere efficiëntie van protonreductie, ' zei Chen.

De elektrokatalytische prestatie van het composiet was vergelijkbaar met die van commerciële platinakatalysatoren, meldden de auteurs. Chen merkte op, echter, dat onderzoekers nog een lange weg te gaan hebben om tot goedkope en efficiënte waterstofproductie te komen.