Wetenschappers van Rice University en het Lawrence Livermore National Laboratory hebben nieuwe tweedimensionale elektrokatalysatoren voorspeld en gemaakt om waterstof met hoge prestaties en lage kosten uit water te extraheren.

In het proces, ze creëerden ook een eenvoudig model om materialen te screenen op katalytische activiteit.

Verschillende katalysatoren werden gemodelleerd door Rice theoretisch fysicus Boris Yakobson en hoofdauteur Yuanyue Liu, een voormalig afgestudeerde student in zijn lab, en gemaakt en getest door Rice materiaalwetenschappers onder leiding van Pulickel Ajayan en Jun Lou. Ze ontdekten dat de nieuwe dichalcogenide-katalysatoren overeenkwamen met de efficiëntie van platina - de meest voorkomende waterstofevolutiereactie (HER) -katalysator in watersplitsende cellen - en tegen een fractie van de kosten kunnen worden gemaakt.

De studie verschijnt in Natuur Energie .

Wetenschappers die molybdeen en wolfraam dichalcogeniden als mogelijke HER-katalysatoren hebben getest, waren gefrustreerd toen ze ontdekten dat de actieve plaatsen zich meestal concentreerden aan de randen van de metalen bloedplaatjes, een klein percentage van het materiaaloppervlak.

Het Rice-team wendde zich tot niobium en tantaal, twee andere overgangsmetalen (en nagesynchroniseerde Groep-5 elektrokatalysatoren voor hun middelste positie op het periodiek systeem). Ze combineerden elk met zwavel, in de verwachting dat de nieuwe verbindingen actieve plaatsen langs hun basale vlakken zouden hebben.

Het bleek dat de waterstof geproduceerd langs de vliegtuigen iets onverwachts deed om de materialen nog effectiever te maken. "Het proces genereert waterstofbellen tussen de lagen, die hen uit elkaar begint te halen, "Zei Yakobson. "Dit maakt de lagen toegankelijker en verhoogt het aantal actieve sites."

De meerlaagse bloedplaatjes waaruit beide katalysatoren bestaan, werden dunner, kleiner en meer verspreid naarmate ze zichzelf optimaliseerden, observeerden de onderzoekers. De verdunning verkortte het pad dat elektronen moeten afleggen, die de weerstand tegen ladingsoverdracht verlaagde.

Liu zei dat prestatieverbeteringen in beide elektrokatalysatoren direct verband hielden met veranderingen in de fysieke vorm van de materialen, ondanks dat er geen veranderingen in hun chemische of kristaleigenschappen zijn waargenomen.

"Dit werk is een goede combinatie van theorie en experiment, " zei Liu, die het project begon tijdens een fellowship in 2013 bij Lawrence Livermore. "We analyseerden eerst waarom de oude katalysatoren - molybdeen en wolfraam dichalcogeniden - niet goed werken en gebruikten dit inzicht om nieuwe katalysatoren te voorspellen. Vervolgens wendden we ons tot onze experimentele collega's, die met succes de materialen heeft gemaakt en getest en onze voorspellingen heeft geverifieerd."

Yakobson zei dat Liu's methode om het materiaal te modelleren net zo belangrijk kan zijn als het materiaal zelf. "Yuanyue creëerde in feite een nieuwe verkorte manier om de katalytische prestaties te evalueren, " zei hij. "De ouderwetse manier was om de bindingsenergie van de reactant direct te berekenen, zoals waterstof, naar het oppervlak. In plaats daarvan, we kozen de eigenschap van de katalysator zelf om als descriptor te dienen - zonder ons zorgen te hoeven maken over wat er werd geabsorbeerd.

"Dit werk is een zeldzaam voorbeeld van het Materials Genome Initiative in actie, " zei hij. "De theorie ontwikkelt een descriptor om snel te zoeken tussen talloze materiële mogelijkheden en om ontdekking te versnellen in vergelijking met proefondervindelijke experimenten." Het initiatief is een federaal programma om de ontdekking en implementatie van geavanceerde materialen te versnellen.

De onderzoekers verwachten dat het zelfoptimaliserende gedrag van de materialen praktische voordelen zal hebben voor schaalbare verwerking.

"Het vinden van oppervlakteactieve katalysatoren in gelaagde materialen is een belangrijke stap voorwaarts voor de productie van waterstof met behulp van niet-edelmetaalkatalysatoren, " zei co-auteur Lou, hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering en scheikunde. "Het is ook erg belangrijk dat dergelijke oppervlakteactiviteiten direct experimenteel kunnen worden geverifieerd, de weg vrijmaken voor toekomstige toepassingen."