Het splitsen van water in waterstof en zuurstof om schone energie te produceren, kan worden vereenvoudigd met een enkele katalysator die is ontwikkeld door wetenschappers van Rice University en de University of Houston.

De elektrolytische film geproduceerd in Rice en getest in Houston is een drielaagse structuur van nikkel, grafeen en een verbinding van ijzer, mangaan en fosfor. Het schuimige nikkel geeft de film een ​​groot oppervlak, het geleidende grafeen beschermt het nikkel tegen afbraak en het metaalfosfide voert de reactie uit.

Het robuuste materiaal is het onderwerp van een paper in Nano-energie .

Rijstchemicus Kenton Whitmire en Houston elektro- en computeringenieur Jiming Bao en hun laboratoria ontwikkelden de film om barrières te overwinnen die een katalysator gewoonlijk goed maken voor de productie van zuurstof of waterstof. maar niet allebei tegelijk.

"Gewone metalen oxideren soms tijdens katalyse, ' zei Whitmire. 'Normaal gesproken, een waterstofontwikkelingsreactie wordt uitgevoerd in zuur en een zuurstofontwikkelingsreactie wordt uitgevoerd in base. We hebben één materiaal dat stabiel is, of het nu in een zure of basische oplossing is."

De ontdekking bouwt voort op de creatie van een eenvoudige zuurstof-evolutiekatalysator die eerder dit jaar werd onthuld door de onderzoekers. In dat werk, het team kweekte een katalysator rechtstreeks op een halfgeleidende nanostaaf-array die zonlicht in energie veranderde voor het splitsen van zonnewater.

Elektrokatalyse vereist twee katalysatoren, een kathode en een anode. Wanneer geplaatst in water en opgeladen, waterstof vormt zich bij de ene elektrode en zuurstof bij de andere, en deze gassen worden opgevangen. Maar het proces vereist over het algemeen kostbare metalen om even efficiënt te werken als de katalysator van het Rice-team.

"De standaard voor waterstofontwikkeling is platina, Whitmire zei. "We gebruiken materialen die overvloedig aanwezig zijn in de aarde - ijzer, mangaan en fosfor - in tegenstelling tot edele metalen die veel duurder zijn."

De nieuwe katalysator vereist ook minder energie, zei Whitmir. "Als je waterstof en zuurstof wilt maken, je moet er energie in steken, en hoe meer je erin stopt, hoe minder commercieel levensvatbaar het is, " zei hij. "Je wilt het doen met zo min mogelijk energie. Dat is een voordeel van ons materiaal:het overpotentiaal (de hoeveelheid energie die nodig is om elektrokatalyse te activeren) is klein, en behoorlijk concurrerend met andere materialen. Hoe lager je het kunt krijgen, hoe dichter je bij het zo efficiënt mogelijk maken van watersplitsing komt."

grafeen, de atoomdikke vorm van koolstof, is de sleutel tot het beschermen van het onderliggende nikkel. Een tot drie lagen grafeen worden gevormd op het nikkelschuim in een chemische dampafzetting (CVD) oven, en het ijzer, daarbovenop worden mangaan en fosfor toegevoegd, ook via CVD en uit een enkele precursor.

Tests door Bao's lab vergeleken nikkelschuim en het fosfide zowel met als zonder grafeen in het midden en vonden dat het geleidende grafeen de weerstand tegen ladingsoverdracht verlaagde voor zowel waterstof- als zuurstofreacties.

"Nikkel is een van de beste katalysatoren om grafeen te maken, ", aldus co-hoofdauteur Desmond Schipper, een afgestudeerde Rice-student. "Eigenlijk, we gebruiken het nikkel om het nikkel te helpen verbeteren." Hij zei dat het mangaan ook een niveau van bescherming toevoegt.

Whitmire zei dat het materiaal schaalbaar is en gebruikt zou moeten worden in industrieën die waterstof en zuurstof produceren of door zonne- en wind-aangedreven faciliteiten die elektrokatalyse kunnen gebruiken om daluren energie op te slaan.

Het kan ook worden aangepast om andere geavanceerde materialen te produceren. "Onze methode zou breed toepasbaar kunnen zijn op een groot aantal metaalfosfidematerialen voor katalysatoren - niet alleen voor het splitsen van water, maar voor een scala aan dingen, " hij zei.

“Een kritische factor is dat we in staat zijn om fasezuivere materialen te maken met verschillende samenstellingen. mensen hebben heel weinig controle over de fase die ze op een oppervlak krijgen, en in veel gevallen krijgen ze een mengsel. Wanneer dat gebeurt, ze weten niet welke fase eigenlijk verantwoordelijk is voor de katalyse. Met ons proces, ze kunnen het weten."