Waterstof geproduceerd uit water door de waterstofontwikkelingsreactie is een aantrekkelijke schone brandstofbron. Productie van waterstof op grote schaal tegen lage kosten is noodzakelijk om de levensvatbaarheid ervan als alternatieve energiebron voor fossiele brandstoffen te realiseren. Om dit doel te bereiken, duurzaam, goedkope katalysatoren nodig zijn. De meeste huidige katalysatoren op basis van niet-edele metalen hebben last van instabiliteit in de zure oplossingen die gevormd worden tijdens de waterstofontwikkeling. Echter, het eenvoudig beschermen van de katalysator tegen de zure oplossing heeft de neiging de activiteit ervan te verlagen.

Een samenwerking onder leiding van de Universiteit van Tsukuba heeft onlangs een benadering geoptimaliseerd om de stabiliteit van katalysatoren die worden gebruikt in de waterstofontwikkelingsreactie te verhogen zonder de activiteit duidelijk op te offeren. Het team ontdekte dat het coaten van katalysator-nanodeeltjes met een optimaal aantal lagen grafeen - een vel koolstofatomen georganiseerd in een honingraatrooster met hoge geleidbaarheid en mechanische sterkte - de duurzaamheid van nanodeeltjes verhoogde terwijl de nanodeeltjes hun katalytische activiteit behouden. De studie werd gerapporteerd in ACS Energy Letters.

"We hebben de balans geoptimaliseerd tussen het aantal grafeenlagen dat de nanodeeltjes bedekt en hun katalytische activiteit, " studie eerste auteur Kailong Hu zegt. "Om dit te doen, we moesten het aantal grafeenlagen die de nanodeeltjes bedekten nauwkeurig regelen, die we hebben bereikt door de depositietijd van grafeen op de nanodeeltjes zorgvuldig te reguleren."

Er werd een reeks nanodeeltjesmonsters gecoat met verschillende aantallen grafeenlagen gefabriceerd, gekenmerkt, en vervolgens werd hun katalytische activiteit in de waterstofontwikkelingsreactie bepaald. De katalysator nanodeeltjes gecoat met het optimale aantal grafeenlagen, dat was slechts drie tot vijf lagen, vertoonde een vergelijkbare activiteit in de waterstofontwikkelingsreactie als die van een dure op platina gebaseerde katalysator. belangrijk, deze nanodeeltjes vertoonden ook een hoge stabiliteit; de grafeencoating zorgde ervoor dat de metalen nanodeeltjes niet oplosten in de zure reactieoplossing.

De onderzoekers voerden theoretische berekeningen uit om hun experimentele bevindingen te ondersteunen. De resultaten bevestigden de relaties tussen het aantal grafeenlagen, chemische stabiliteit, en katalytische activiteit van de nanodeeltjes aangegeven door de experimentele gegevens. Dat is, de nanodeeltjes gecoat met minder dan drie grafeenlagen vertoonden een hogere katalytische activiteit dan die gecoat met drie tot vijf lagen, maar dit ging ten koste van de duurzaamheid; de eerste vertoonde een slechtere chemische stabiliteit dan de laatste.

"Onze resultaten effenen de weg voor een rationeel ontwerp van stabiele, goedkope katalysatoren voor grootschalige waterstofproductie in waterstofstations door on-site polymere elektrolytmembraanelektrolyse onder zure omstandigheden, " legt co-auteur Yoshikazu Ito uit.

De bevindingen van het team brengen ons een stap dichter bij de realisatie van een schone, duurzame toekomst met waterstof als brandstofbron.