Het verbreken van de bindingen tussen zuurstof en waterstof in water zou een sleutel kunnen zijn om op een duurzame manier waterstof te creëren, maar het vinden van een economisch haalbare techniek hiervoor is moeilijk gebleken. Onderzoekers rapporteren een nieuwe waterstofgenererende katalysator die veel van de obstakels wegneemt:overvloed, stabiliteit in zure omstandigheden en efficiëntie.

In het journaal Angewandte Chemie , onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign rapporteren over een elektrokatalytisch materiaal dat is gemaakt door metaalverbindingen te mengen met een stof die perchloorzuur wordt genoemd.

Elektrolyzers gebruiken elektriciteit om watermoleculen te breken in zuurstof en waterstof. De meest efficiënte van deze apparaten gebruiken bijtende zuren en elektrodematerialen gemaakt van de metaalverbindingen iridiumoxide of rutheniumoxide. Iridiumoxide is de meest stabiele van de twee, maar iridium is een van de minst voorkomende elementen op aarde, dus zijn onderzoekers op zoek naar een alternatief materiaal.

"Veel van het vorige werk werd uitgevoerd met elektrolyzers gemaakt van slechts twee elementen:een metaal en zuurstof, " zei Hong Yang, een co-auteur en hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering in Illinois. "In een recent onderzoek we ontdekten dat als een verbinding twee metaalelementen heeft - yttrium en ruthenium - en zuurstof, de snelheid van de watersplitsingsreactie nam toe."

Yao Qin, een co-auteur en voormalig lid van Yang's groep, experimenteerde eerst met de procedure voor het maken van dit nieuwe materiaal door verschillende zuren en verwarmingstemperaturen te gebruiken om de snelheid van de watersplitsingsreactie te verhogen.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer ze perchloorzuur als katalysator gebruikten en het mengsel onder hitte lieten reageren, de fysieke aard van het yttriumruthenaatproduct veranderde.

"Het materiaal werd poreuzer en had ook een nieuwe kristallijne structuur, anders dan alle vaste katalysatoren die we eerder maakten, " zei Jaemin Kim, de hoofdauteur en een postdoctoraal onderzoeker. Het nieuwe poreuze materiaal dat het team ontwikkelde - een pyrochlooroxide van yttriumruthenaat - kan watermoleculen sneller splitsen dan de huidige industriestandaard.

"Vanwege de verhoogde activiteit die het bevordert, een poreuze structuur is zeer wenselijk als het gaat om elektrokatalysatoren, " zei Yang. "Deze poriën kunnen synthetisch worden geproduceerd met sjablonen en substanties van nanometerformaat voor het maken van keramiek; echter, die zijn niet bestand tegen de hoge temperatuur die nodig is voor het maken van hoogwaardige vaste katalysatoren."

Yang en zijn team bekeken de structuur van hun nieuwe materiaal met een elektronenmicroscoop en ontdekten dat het vier keer poreuzer is dan het originele yttriumruthenaat dat ze in een eerdere studie ontwikkelden. en driemaal die van de commercieel gebruikte iridium- en rutheniumoxiden.

"Het was verrassend om te ontdekken dat het zuur dat we als katalysator voor deze reactie kozen, de structuur van het materiaal dat voor de elektroden werd gebruikt, bleek te verbeteren. " zei Yang. "Dit besef was toevallig en heel waardevol voor ons."

De volgende stappen voor de groep zijn het fabriceren van een apparaat op laboratoriumschaal voor verder testen en het blijven verbeteren van de poreuze elektrodestabiliteit in zure omgevingen, zei Yang.

"Stabiliteit van de elektroden in zuur zal altijd een probleem zijn, maar we hebben het gevoel dat we iets nieuws en anders hebben bedacht in vergelijking met ander werk op dit gebied, " Yang zei. "Dit soort onderzoek zal in de toekomst behoorlijk impact hebben met betrekking tot waterstofopwekking voor duurzame energie."

Afgestudeerde student Pei-Chieh Shih, Zaid Al-Bardanand en Argonne National Laboratory-onderzoeker Cheng-Jun Sun hebben ook bijgedragen aan dit onderzoek.