Het vermogen van planten om zonlicht te oogsten en water te splitsen in waterstof en zuurstof door middel van fotosynthese heeft wetenschappers lang gefascineerd, die hebben geprobeerd het proces te repliceren om waterstof op te vangen als een hernieuwbare en duurzame brandstofbron.

Ondanks zijn belofte, grootschalig gebruik van waterstof wordt beperkt door kosten en efficiëntie in de extractieprocessen, die een energie-input vereist om de reactie om te keren die zuurstof en waterstof in de eerste plaats combineert.

Een methode is elektrolyse, waar een elektrische stroom wordt toegepast op water door twee elektroden in te brengen en de chemische binding tussen de waterstof- en zuurstofatomen wordt verbroken.

Hierdoor komt de waterstof vrij als een gas dat kan worden opgevangen en omgezet in elektrische energie in een brandstofcel, waar de enige bijproducten van het gebruik ervan warmte en water zijn.

De uitdaging voor wetenschappers is om een ​​katalysator te vinden om elektrolyse aan te drijven die minder energie vereist dan wordt gewonnen uit de resulterende waterstof.

Complicerende zaken zijn dat de materialen die bij elektrolyse worden gebruikt, beginnen te corroderen wanneer er stroom wordt toegepast, waarbij het gebruik van edele metalen vereist is, zoals platina, goud of zilver.

Dit zijn dure en zeldzame metalen die doorgaans worden gebruikt in elektronica, geneeskunde en als katalysatoren voor chemische reacties.

Katalytische uitdagingen

Dr. Yi Du, een Senior Research Fellow aan de University of Wollongong's Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM), zei dat de grootste uitdaging bij het splitsen van water op industriële schaal het vinden van zeer efficiënte, goedkope en aardrijke elektrokatalysatoren, die de spanning kan verlagen die nodig is om water in waterstof te splitsen.

"Water is een schone bron die duurzaam toegankelijk is, waardoor het een aantrekkelijk en veelbelovend alternatief is voor vloeibaar petroleumgas als we de benodigde energie voor het splitsen van water kunnen verlagen, ' zei Dr. Du.

"In het algemeen, er zijn maar weinig elektrokatalysatoren om waterstofproductie kosteneffectief genoeg te maken voor gebruik op commerciële schaal."

Het team van Dr. Du bij ISEM, in samenwerking met onderzoekers van Beihang University in China, hebben een krachtige elektrokatalysator gefabriceerd met behulp van een goedkoop metaal dat geschikt is gebleken voor gebruik bij het splitsen van water.

Titaniumoxiden zijn een overvloedige grondstof die gewoonlijk wordt aangetroffen als een wit poeder in ertsen, zand en grond, en vaak gebruikt als pigment in producten zoals zonnebrandcrème, cosmetica, verven en lijmen, onder andere gebruik.

Hoewel titanium een ​​uitstekende corrosieweerstand en elektrische geleidbaarheid heeft, in zijn oxide is het een isolator, en onderzoekers hebben het lang ongeschikt geacht voor gebruik als elektrokatalysator.

Het team van Dr. Du was in staat om een ​​eenkristal van titaniumoxide te nemen en in een vacuümkamer, verwijder alle zuurstofatomen van het oppervlak, het verlaten van een geleidende, duurzaam en efficiënt katalysatormateriaal dat goedkoop en gemakkelijk te produceren is

"Vergeleken met een traditionele katalysator, het geleidende titaniumoxide vereist zeer weinig energie-input om het elektrolysewatersplitsingsproces aan te drijven, ' zei Dr. Du.

"Door een groot aantal zuurstofvacatures in het oppervlak van het materiaal te introduceren, kunnen we de fysische en chemische eigenschappen optimaliseren om actief te zijn voor watersplitsing.

"We hebben aangetoond dat een reeks van aarde-overvloedige, goedkope en chemisch stabiele materialen op basis van titanium zijn veelbelovende elektrokatalysatoren bij het splitsen van water, wat de kosten van deze techniek aanzienlijk kan verlagen en het gebruik op grote schaal kan versnellen."

Nul-emissie energiepotentieel

Als de elektrische energie om de reactie aan te drijven ook afkomstig is van hernieuwbare opwekking, het proces heeft het potentieel om bijna energieneutraal te zijn.

"Er zijn nogal wat toepassingen voor het gebruik van deze brandstof, misschien wel de meest veelbelovende toepassing is het op grote schaal splitsen van water om fabrieken met een hoge energiebehoefte van stroom te voorzien, ' zei Dr. Du.

Waterstof kan worden omgezet in elektrische energie door brandstofcellen die continu kunnen werken in aanwezigheid van waterstof en zuurstof.

"Het gebruik van zonnecellen om energie te oogsten om het proces aan te drijven, is ook een veelbelovende manier om waterstof duurzaam en emissievrij te produceren voor gebruik in transport via voertuigen met waterstofbrandstofcellen."

Terwijl je de tuinslang vastpakt om de auto van brandstof te voorzien, lijkt het misschien sciencefiction, Dr. Du zei dat de fundamentele uitdagingen aan de productiekant van de waterstofvergelijking kosten en efficiëntie waren.

"De grootste uitdaging zijn nog steeds de kosten van de katalysator. Daarom hebben we een efficiënte en goedkope katalysator nodig, die water effectief in waterstof kan omzetten."

Het werk is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift ACS Katalyse en is gebaseerd op samenwerking met Beihang University via het Beihang-UOW Joint Research Centre.