Nanodeeltjeskatalysatoren ontwikkeld door A*STAR-onderzoekers kunnen helpen water te splitsen om waterstof te produceren, een schoon brandende brandstof die een gemakkelijke manier biedt om hernieuwbare energie op te slaan.

Platina is momenteel het meest efficiënte katalytische elektrodemateriaal om op deze manier waterstof te genereren, maar het edele metaal is zowel schaars als duur. Yee-Fun Lim en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering hebben nu elektrokatalysator-nanodeeltjes ontwikkeld die zeer actief zijn, goedkoop en stabiel, en die de waterstofontwikkelingsreactie uitvoeren, evenals alle alternatieven voor platina die tot nu toe zijn ontdekt.

Het team gebruikte poreus nikkelschuim als basis voor hun elektrode, omdat het een zeer groot oppervlak biedt om actieve katalytische nanodeeltjes te ondersteunen. Daarna bedekten ze het schuim met een kobalt-thioureumverbinding, en verhitte het om de thioureum af te breken, waaruit zwavel vrijkwam. Deze zwavel reageerde met de metalen om nanodeeltjes van kobaltsulfide en nikkelsulfide te vormen. De onderzoekers bestudeerden de structuur en samenstelling van de nanodeeltjes met behulp van verschillende technieken, inclusief röntgendiffractie en scanning elektronenmicroscopie.

Tijdens de reactie, elektriciteit helpt metaalatomen op het oppervlak van deze nanodeeltjes om een ​​waterstofatoom uit een watermolecuul te plukken. Het waterstofatoom combineert dan met een ander waterstofatoom - ofwel op het oppervlak van het nanodeeltje, of van een ander watermolecuul - om waterstofgas (H2) te maken. Cruciaal, de metaalsulfide-nanodeeltjes werken goed onder de alkalische omstandigheden die gewoonlijk vereist zijn voor de parallelle reactie die zuurstof genereert tijdens het splitsen van water.

Het team van Lim toonde aan dat het variëren van de temperatuur en de duur van de verwarmingsstap die werd gebruikt om de nanodeeltjes te bereiden, een dramatisch effect had op hun samenstelling en relatieve verhoudingen, en testen toonden aan dat dit hun activiteit in de waterstofontwikkelingsreactie bepaalde. Langdurige verwarming zorgde ervoor dat sommige nanodeeltjes samenklonterden, bijvoorbeeld, en verhoogde ook het aandeel kobaltsulfide, wat de activiteit van de katalysator aanzienlijk verminderde.

De beste prestatie kwam van het gemengde metaalsulfide dat slechts 10 minuten was verwarmd tot 500 graden Celsius (zie afbeelding). Het vereiste een relatief lage spanning van 163 millivolt om de waterstofontwikkelingsreactie te starten, slechts 47 millivolt hoger dan een commerciële platina-elektrokatalysator, en vergelijkbaar met de beste alternatieven. De katalysator vertoonde geen degradatie gedurende drie dagen van continue reacties.

"De gemengde katalysator combineert de goede eigenschappen van zowel nikkel- als kobaltkatalysatoren om superieure prestaties te bereiken, ", zegt Lim. Zijn team is van plan een vergelijkbare benadering te gebruiken om katalytische nanodeeltjes op maat te maken voor een andere reactie die koolstofdioxide in brandstoffen verandert.