Nanomaterialen die de productie van waterstofgas versnellen, zijn gemaakt door A*STAR- en NTU-onderzoekers. Dit werk zou kunnen helpen om efficiëntere technologieën te ontwikkelen om deze schone brandstof te maken.

Als waterstof verbrandt, het produceert alleen water als bijproduct, waardoor het een aantrekkelijke schone brandstof is voor voertuigen en andere energietoepassingen. Echter, het grootste deel van 's werelds waterstof wordt momenteel geproduceerd met behulp van fossiele brandstoffen in een proces waarbij grote hoeveelheden van het broeikasgas koolstofdioxide worden uitgestoten.

Onderzoekers kijken dus naar het maken van waterstof door water te splitsen met behulp van elektriciteit die is opgewekt door hernieuwbare bronnen. Deze elektrolysesystemen gebruiken typisch elektroden die katalysatoren bevatten, die de waterstofproductie versnellen en de hoeveelheid elektriciteit verminderen die nodig is om de waterstofontwikkelingsreactie aan te drijven - een van de twee reacties die betrokken zijn bij het splitsen van water.

Nutsvoorzieningen, Yonghua Du van het A*STAR Instituut voor Chemische en Technische Wetenschappen, werken met de groep van Hua Zhang aan de Nanyang Technological University, heeft de katalytische eigenschappen van nanomaterialen op basis van rheniumsulfideselenide onderzocht.

De onderzoekers concentreerden zich op een fase die zigzagketens van rheniumatomen bevat tussen geknikte lagen zwavel en selenium. Ze gebruikten een chemisch reagens om lithium tussen deze atomaire lagen te plaatsen. Het toevoegen van water veroorzaakte een reactie die stippen materiaal van slechts 2 nanometer groot afspleet.

Het team testte vervolgens nanodeeltjes die verschillende hoeveelheden zwavel en selenium bevatten. Het materiaal met gelijke hoeveelheden zwavel en selenium had de beste katalytische prestaties, waarbij de laagste spanning nodig is om de waterstofontwikkelingsreactie te katalyseren. Dit specifieke materiaal was ook zeer stabiel, met verwaarloosbaar prestatieverlies, zelfs na 20, 000 testcycli.

Om de oorsprong van deze katalytische activiteit te begrijpen, Het team van Du gebruikte röntgenabsorptiespectroscopie om de rangschikking van atomen in de nanodeeltjes te bestuderen. Ze ontdekten dat het proces dat wordt gebruikt om de nanodeeltjes te maken, ook defecten kan veroorzaken door zwavelatomen uit de structuur van het materiaal te verwijderen.

De groep van Zhang voerde verdere experimenten en theoretische berekeningen uit om aan te tonen dat deze defecten de katalytische activiteit van de nanodeeltjes verbeterden door een lading te laten opbouwen op rheniumatomen naast de plaats van de ontbrekende zwavel (zie afbeelding).

"Defect engineering is een van de meest effectieve manieren gebleken om de activiteit van katalysatoren voor elektrokatalytische waterstofontwikkelingsreacties te verbeteren, en röntgenabsorptiespectroscopie is een sleuteltechniek voor het ontrafelen van de defecten in nanomaterialen, " zegt Zhang.

De onderzoekers zeggen dat deze benadering om katalytische activiteit te begrijpen zou moeten helpen bij het ontwerp en de synthese van andere krachtige elektrokatalysatoren.