Een goedkope en effectieve nieuwe katalysator ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, kan waterstofbrandstof net zo efficiënt uit water halen als platina, momenteel de beste - maar ook duurste - watersplitsende katalysator die er is.

De katalysator, die is samengesteld uit nanometer-dunne platen van metaalcarbide, wordt vervaardigd met behulp van een zelfassemblageproces dat gebaseerd is op een verrassend ingrediënt:gelatine, het materiaal dat Jell-O zijn schok geeft.

"Platina is duur, dus het zou wenselijk zijn om andere alternatieve materialen te vinden om het te vervangen, " zei senior auteur Liwei Lin, hoogleraar werktuigbouwkunde aan UC Berkeley. "We gebruiken eigenlijk iets dat lijkt op de Jell-O die je als basis kunt eten, en het te mengen met enkele van de overvloedige aardelementen om een ​​goedkoop nieuw materiaal te creëren voor belangrijke katalytische reacties."

Het werk verschijnt in de gedrukte editie van 13 december van het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Een stroomstoot kan de sterke bindingen verbreken die watermoleculen aan elkaar binden, het creëren van zuurstof en waterstofgas, waarvan de laatste een uiterst waardevolle energiebron is voor de aandrijving van waterstofbrandstofcellen. Waterstofgas kan ook worden gebruikt om energie op te slaan uit hernieuwbare maar intermitterende energiebronnen zoals zonne- en windenergie, die overtollige elektriciteit produceren wanneer de zon schijnt of wanneer de wind waait, maar die op regenachtige of rustige dagen inactief zijn.

Maar simpelweg een elektrode in een glas water steken is een uiterst inefficiënte methode om waterstofgas te genereren. De afgelopen 20 jaar, wetenschappers hebben gezocht naar katalysatoren die deze reactie kunnen versnellen, waardoor het praktisch is voor grootschalig gebruik.

"In de industrie domineert de traditionele manier om watergas te gebruiken om waterstof op te wekken. deze methode produceert koolstofdioxide als bijproduct, " zei eerste auteur Xining Zang, die het onderzoek deed als afstudeerstudent werktuigbouwkunde aan UC Berkeley. "De opwekking van elektrokatalytische waterstof neemt het afgelopen decennium toe, in navolging van de wereldwijde vraag om de uitstoot te verlagen. De ontwikkeling van een zeer efficiënte en goedkope katalysator voor elektrohydrolyse zal diepgaande technische, economisch en maatschappelijk voordeel."

Om de katalysator te creëren, de onderzoekers volgden een recept dat bijna net zo eenvoudig was als het maken van Jell-O uit een doos. Ze mengden gelatine en een metaalion - ofwel molybdeen, wolfraam of kobalt - met water, en laat het mengsel vervolgens drogen.

"Wij geloven dat als gelatine droogt, het assembleert zichzelf laag voor laag, Lin zei. "Het metaalion wordt gedragen door de gelatine, dus wanneer de gelatine zichzelf assembleert, je metaalion is ook gerangschikt in deze platte lagen, en deze vlakke platen geven Jell-O zijn karakteristieke spiegelachtige oppervlak."

Door het mengsel te verwarmen tot 600 graden Celsius, gaat het metaalion reageren met de koolstofatomen in de gelatine, grote vormen, nanometer-dunne platen van metaalcarbide. De niet-gereageerde gelatine brandt weg.

De onderzoekers testten de efficiëntie van de katalysatoren door ze in water te plaatsen en er een elektrische stroom doorheen te laten lopen. Wanneer ze tegen elkaar worden gestapeld, molybdeencarbide splitwater het meest efficiënt, gevolgd door wolfraamcarbide en vervolgens kobaltcarbide, die niet zo dunne lagen vormden als de andere twee. Het mengen van molybdeenionen met een kleine hoeveelheid kobalt verhoogde de prestaties nog meer.

"Het is mogelijk dat andere vormen van carbide nog betere prestaties leveren, ' zei Lin.

De tweedimensionale vorm van de katalysator is een van de redenen waarom deze zo succesvol is. Dat komt omdat het water in contact moet zijn met het oppervlak van de katalysator om zijn werk te kunnen doen, en het grote oppervlak van de platen betekent dat de metaalcarbiden uiterst efficiënt zijn voor hun gewicht.

Omdat het recept zo eenvoudig is, het kan gemakkelijk worden opgeschaald om grote hoeveelheden van de katalysator te produceren, zeggen de onderzoekers.

"We ontdekten dat de prestaties heel dicht in de buurt komen van de beste katalysator gemaakt van platina en koolstof, wat de gouden standaard is op dit gebied, Lin zei. "Dit betekent dat we het zeer dure platina kunnen vervangen door ons materiaal, die is gemaakt in een zeer schaalbaar productieproces."