De "schone energie-economie" lijkt altijd een paar stappen verwijderd, maar nooit helemaal hier. De meeste energie voor transport, verwarming en koeling en productie wordt nog steeds geleverd met behulp van fossiele brandstoffen. Maar met een paar wetenschappelijke doorbraken, waterstof, het meest voorkomende element in het universum, zou de energiedrager kunnen zijn van een toekomstige samenleving met schone energie. Een stap dichter bij het ongrijpbare doel zetten, een team van wetenschappers van Penn State en Florida State University heeft een goedkopere en industrieel schaalbare katalysator ontwikkeld om pure waterstof te produceren via een energiezuinig watersplitsingsproces.

"Energie is de belangrijkste kwestie van onze tijd, en voor energie, brandstofcellen zijn van cruciaal belang. En dan voor brandstofcellen, waterstof is het belangrijkst, " zegt Yu Lei, een promovendus bij Penn State en eerste auteur van een nieuw artikel in ACS Nano ze beschrijft de watersplitsende katalysator die zij en haar collega's theoretisch voorspelden en synthetiseerden in het laboratorium. "Mensen zijn op zoek geweest naar een goede katalysator die water efficiënt kan splitsen in waterstof en zuurstof. Tijdens dit proces, er zullen geen bijproducten zijn die niet milieuvriendelijk zijn."

Bij de huidige industriële methode om waterstof te produceren – stoomreforming van methaan – komt er CO2 vrij in de atmosfeer. Andere methoden maken gebruik van restwarmte, zoals van geavanceerde kerncentrales, of geconcentreerde zonne-energie, beide worden geconfronteerd met technische uitdagingen om commercieel haalbaar te worden. Een ander industrieel proces gebruikt platina als katalysator om het watersplitsingsproces aan te drijven. Hoewel platina een bijna perfecte katalysator is, het is ook duur. Een goedkopere katalysator zou waterstof een redelijk alternatief kunnen maken voor fossiele brandstoffen in het transport, en energiebrandstofcellen voor energieopslagtoepassingen.

"Molybdeendisulfide (MoS2) is voorspeld als een mogelijke vervanging voor platina, omdat de Gibbs vrije energie voor waterstofabsorptie bijna nul is, " zegt Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, materiaalwetenschap en techniek en scheikunde bij Penn State. Hoe lager de Gibbs vrije energie, hoe minder externe energie er moet worden toegepast om een ​​chemische reactie te veroorzaken.

Echter, experimenteel, er zijn nadelen aan het gebruik van MoS2 als katalysator. In de stabiele fase MoS2 is een halfgeleider, die zijn vermogen om elektronen te geleiden beperkt. Om dat probleem te omzeilen, het team voegde gereduceerd grafeenoxide toe, een sterk geleidende vorm van koolstof. Vervolgens, om de vrije energie verder te verminderen, ze legerden de MoS2 met wolfraam om een ​​dunne film te creëren met afwisselend grafeen en wolfraam-molybdeendisulfidelagen. De toevoeging van wolfraam verlaagt de elektrische spanning die nodig is om water te splitsen met de helft, vanaf 200 millivolt met pure MoS2, tot 96 millivolt met de wolfraam-molybdeen legering.

Het watersplitsingsproces gebruikt een zeer kleine hoeveelheid elektrische energie die wordt toegepast op een elektrode die in water is ondergedompeld. Met behulp van dit kleine potentieel, de protonen in de oplossing kunnen worden geabsorbeerd op het oppervlak van de katalysator. Dan zullen twee protonen samen migreren om een ​​waterstofbel te vormen die naar de oppervlakte stijgt en de waterstof vrijgeeft.

Vanuit theoretisch oogpunt is de elektronenorbitalen spelen een cruciale rol. In het geval van pure MoS2 de orbitalen van het metaal overlappen niet goed met de orbitaal van waterstof in de belangrijkste reactiestap; echter, wanneer de legering aanwezig is, werken deze orbitalen goed samen en wordt de reactie efficiënter. Dit is vergelijkbaar met wat platina doet, en de reden waarom platina zo energiezuinig is bij deze chemische reactie. Echter, in dit werk, onderzoekers toonden aan dat goedkopere en meer overvloedige elementen kunnen worden gebruikt en een efficiëntie bereiken die alle beste katalysatoren overtreft.

"Wat er in deze legeringen gebeurt, is een uitstekende overlap van orbitalen die de reactie efficiënter maakt. Dit wordt niet waargenomen in de pure componenten. Het is een voorbeeld waarbij de hybride beter is dan de pure componenten, " zegt Jose L. Mendoza-Cortes, hoogleraar chemische technologie, materiaalwetenschap en techniek en wetenschappelijke informatica in de staat Florida.

Waterstofbrandstofcellen kunnen een schone energie-economie stimuleren, niet alleen in de transportsector, waar snel tanken en voertuigbereik groter zijn dan batterijaangedreven voertuigen, maar ook om elektrische energie van zon en wind op te slaan. Dit werk is weer een stap vooruit om dat doel te bereiken.