Chemici van Rice University hebben een katalysator geproduceerd op basis van lasergeïnduceerd grafeen dat water splitst in waterstof aan de ene kant en zuurstof aan de andere kant. Ze zeiden dat het goedkope materiaal een praktisch onderdeel kan zijn bij het genereren van waterstof voor gebruik in toekomstige brandstofcellen.

Het gemakkelijk te fabriceren materiaal dat is ontwikkeld door het Rice-lab van chemicus James Tour biedt een robuuste en efficiënte manier om chemische energie op te slaan. Tests toonden aan dat de dunne katalysator aan weerszijden tegelijkertijd grote bellen zuurstof en waterstof produceerde.

Het proces is het onderwerp van een paper in de American Chemical Society's Toegepaste materialen en interfaces .

"Waterstof wordt momenteel gemaakt door aardgas om te zetten in een mengsel van koolstofdioxide en waterstofgas, " zei Tour. "Dus voor elke twee waterstofmoleculen, een molecuul koolstofdioxide wordt gevormd, waardoor dit traditionele proces een uitstoter van broeikasgassen wordt.

"Maar als je water splitst in waterstof en zuurstof, gebruikmakend van een katalytisch systeem en elektriciteit opgewekt uit wind- of zonne-energie, dan is de aangeboden waterstof volledig hernieuwbaar, "zei hij. "Eenmaal gebruikt in een brandstofcel, het keert terug naar water zonder andere emissies. En brandstofcellen zijn vaak twee keer zo efficiënt als verbrandingsmotoren, nog meer energie besparen."

De katalysator is een ander gebruik voor veelzijdig laser-geïnduceerd grafeen (LIG), die Rice in 2014 introduceerde. LIG wordt geproduceerd door het oppervlak van een vel polyimide te behandelen, een goedkope kunststof, met een laser. In plaats van een vlakke plaat van zeshoekige koolstofatomen, LIG is een schuim van grafeenvellen met één rand bevestigd aan het onderliggende oppervlak en chemisch actieve randen blootgesteld aan de lucht.

LIG zelf is inert, dus om er een watersplitser van te maken, zijn nog een paar stappen nodig. Eerst, het lab geïmpregneerd de zijkant van het plastic dat bestemd is om waterstof uit water te halen met platinadeeltjes; toen gebruikte het lab een laser om het oppervlak te verwarmen en LIG te maken. Het rijstmateriaal gebruikt slechts een kwart van het platina dat in commerciële katalysatoren wordt gevonden, zei Jibo Zhang, een afgestudeerde Rice-student en hoofdauteur van het artikel.

De andere kant, voor zuurstofontwikkeling, werd eerst omgezet in LIG en vervolgens verbeterd met nikkel en ijzer door middel van elektrochemische afzetting. Beide kanten vertoonden lage aanvangspotentiaal (de spanning die nodig is om een ​​reactie te starten) en sterke prestaties boven 1, 000 cycli.

Het lab kwam met een andere variant:van het polyimide een LIG-katalysator maken met kobalt en fosfor die de platina- of nikkel-ijzerkanten zouden kunnen vervangen om waterstof of zuurstof te produceren. Terwijl het goedkope materiaal profiteert door het elimineren van dure edelmetalen, het offert enige efficiëntie op bij het genereren van waterstof, zei toer.

Indien geconfigureerd met kobalt-fosfor voor waterstofontwikkeling en nikkel-ijzer voor zuurstof, de katalysator leverde een stroomdichtheid van 10 milliampère per vierkante centimeter bij 1,66 volt. Het zou kunnen worden verhoogd tot 400 milliampère per vierkante centimeter bij 1,9 volt zonder het materiaal aan te tasten. De stroomdichtheid bepaalt de snelheid van de chemische reactie.

Tour zei dat verbeterde LIG watersplitsende prestaties biedt die vergelijkbaar en vaak beter zijn dan veel huidige systemen, met een voordeel in zijn inherente afscheider tussen zuurstof- en waterstofproducten. Hij merkte op dat het van grote waarde kan zijn als een manier om energie van afgelegen zonne- of windenergiecentrales chemisch op te slaan die anders verloren zou gaan bij transmissie.

Het materiaal kan ook dienen als basis voor efficiënte elektrokatalyseplatforms voor kooldioxide- of zuurstofreductie, hij zei.