Onderzoekers weten al lang dat cerium het beste element is om te gebruiken bij het splitsen van water in waterstof en zuurstof - een sleuteltechniek bij het maken van waterstofgas als brandstof. Maar waarom, precies, cerium zo succesvol is, is veel minder begrepen.

Nu heeft een team van de Northwestern University onder leiding van Chris Wolverton ontdekt dat de elektronische entropie van cerium, die ontstaat wanneer een elektron overgaat tussen verschillende toestanden binnen een elektronenschil, is de onderliggende reden van het succes. Deze bevinding zou onderzoekers kunnen helpen de entropie van cerium beter te benutten voor watersplitsingstechnologieën.

"Om het splitsen van water snel genoeg te laten zijn om praktisch te zijn, je hebt een grote hoeveelheid entropie nodig, " zei Wolverton, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "Het blijkt dat cerium magisch is voor entropie."

Ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Shahab Nagavi, een postdoctoraal onderzoeker bij de Wolverton Research Group, diende als de eerste auteur van het papier.

Sinds de jaren zeventig, onderzoekers hebben het potentieel aangeprezen van een "waterstofeconomie, " waarin waterstof benzine zou vervangen om grondtransport van brandstof te voorzien. Bij verbranding, het enige bijproduct van waterstof is water, waardoor het milieuvriendelijker en energiezuiniger is dan zijn alternatieven op fossiele brandstoffen. Zuiver waterstofgas, echter, is zeer zeldzaam in de atmosfeer van de aarde.

"Het probleem is:hoe kom je überhaupt aan de waterstof?" vroeg Wolverton. "Momenteel, je moet koolwaterstoffen verbranden, maar dat produceert koolstofdioxide."

Het splitsen van water (of stoom) zou schoon en efficiënt genoeg zuivere waterstof kunnen produceren om de waterstofeconomie een reële mogelijkheid te maken. Om waterstof uit zuurstof te splitsen, onderzoekers gebruiken warmte die wordt gegenereerd door zonnestraling en ceriumoxide, of ceria. Met behulp van zonlicht om ceria te verwarmen tot 1, 000- tot 1, 500 graden Celsius drijft een reeks reacties aan die ervoor zorgen dat waterstof wordt afgesplitst.

Wolverton en anderen wisten eerder dat entropie de sleutel was om deze reactie mogelijk te maken, maar ze waren niet in staat de bron van de entropie van cerium te vinden. "De meeste mensen dachten dat entropie werd veroorzaakt door het mengen van zuurstof of trillingen van de hitte, ' zei Wolverton. 'Maar we ontdekten dat het een andere bron is, en het is niet wat je zou denken."

Om de chemische reactie die het splitsen van water stimuleert te laten slagen, cerium in het oxide moet een elektron krijgen. En dat ene elektron geeft aanleiding tot heel veel entropie.

"Als er meerdere plaatsen zijn voor het elektron, die aanleiding geeft tot elektronische entropie, " legde Wolverton uit. "Het elektron kan van de ene toestand naar de andere overgaan en zorgt voor wanorde op de elektronische schaal, en daarom, entropie."

Cerium's familie van elementen - bekend als zeldzame aarden - heeft van nature meer elektronentoestanden waarrond het elektron kan bewegen. Het team van Wolverton berekende de elektronische entropie van alle 17 zeldzame aardmetalen en ontdekte dat cerium de grootste hoeveelheid aantoonde.

"Voor een lange tijd, we weten dat cerium goed is voor het splitsen van water, maar we wisten niet precies waarom, ' zei Wolverton. 'Nu weten we gedeeltelijk waarom, en dat opent mogelijkheden voor toekomstig werk."