Een nieuwe op ruthenium gebaseerde katalysator, ontwikkeld aan UC Santa Cruz, heeft duidelijk betere prestaties laten zien dan commerciële platinakatalysatoren bij de elektrolyse van alkalisch water voor de productie van waterstof. De katalysator is een nanogestructureerd composietmateriaal dat bestaat uit koolstofnanodraden met rutheniumatomen gebonden aan stikstof en koolstof om actieve plaatsen in de koolstofmatrix te vormen.

De elektrochemische splitsing van water om waterstof te produceren is een cruciale stap in de ontwikkeling van waterstof als een schone, milieuvriendelijke brandstof. Veel van de inspanningen om de kosten te verlagen en de efficiëntie van dit proces te verhogen, waren gericht op het vinden van alternatieven voor dure op platina gebaseerde katalysatoren.

Bij UC Santa Cruz, onderzoekers onder leiding van Shaowei Chen, hoogleraar scheikunde en biochemie, hebben katalysatoren onderzocht die zijn gemaakt door ruthenium en stikstof op te nemen in op koolstof gebaseerde nanocomposietmaterialen. Hun nieuwe bevindingen, gepubliceerd op 7 februari in Natuurcommunicatie , niet alleen de indrukwekkende prestaties van hun op ruthenium gebaseerde katalysator demonstreren, maar ook inzicht verschaffen in de betrokken mechanismen, die tot verdere verbeteringen kunnen leiden.

"Dit is een duidelijke demonstratie dat ruthenium een ​​opmerkelijke activiteit kan hebben bij het katalyseren van de productie van waterstof uit water, Chen zei. "We hebben het materiaal ook op atomaire schaal gekarakteriseerd, die ons hielp de mechanismen te begrijpen, en we kunnen deze resultaten gebruiken voor het rationele ontwerp en de engineering van op ruthenium gebaseerde katalysatoren."

Elektronenmicroscopie en elementaire mapping-analyse van het materiaal toonde ruthenium-nanodeeltjes evenals individuele rutheniumatomen in de koolstofmatrix. Verrassend genoeg, de onderzoekers ontdekten dat de belangrijkste plaatsen van katalytische activiteit enkele rutheniumatomen waren in plaats van ruthenium-nanodeeltjes.

"Dat was een doorbraak, omdat veel studies de katalytische activiteit hebben toegeschreven aan ruthenium-nanodeeltjes. We ontdekten dat enkele atomen de dominante actieve sites zijn, hoewel zowel nanodeeltjes als enkele atomen bijdragen aan de activiteit, " zei eerste auteur Bingzhang Lu, een afgestudeerde student in Chen's lab aan UC Santa Cruz.

Lu werkte samen met co-auteur Yuan Ping, assistent-professor scheikunde en biochemie, om theoretische berekeningen uit te voeren die aantonen waarom enkele ruthenium-atomen actievere katalytische centra zijn dan ruthenium-nanodeeltjes.

"We hebben onafhankelijke berekeningen gedaan vanuit de eerste principes om te laten zien hoe ruthenium bindingen vormt met koolstof en stikstof in dit materiaal en hoe dit de reactiebarrière verlaagt om een ​​betere katalytische activiteit te geven, ' zei Ping.

Chen zei dat hij een octrooiaanvraag heeft ingediend voor de experimentele bereiding van op ruthenium gebaseerde katalysatoren. Hij merkte op dat, naast mogelijke toepassingen voor waterstofproductie als onderdeel van duurzame energiesystemen, alkalische waterelektrolyse wordt al veel gebruikt in de chemische industrie, evenals een verwant proces dat chloor-alkali-elektrolyse wordt genoemd, waarvoor de rutheniumkatalysator ook zou kunnen worden gebruikt. Er bestaat dus al een grote markt voor goedkopere, efficiëntere katalysatoren.

De elektrolyse van water om waterstof te produceren kan zowel in zure als alkalische omstandigheden worden uitgevoerd, en elke methode heeft voor- en nadelen. Platinakatalysatoren zijn veel effectiever in zure media dan in alkalische media. De op ruthenium gebaseerde katalysatoren presteren bijna net zo goed als platina in zure media, terwijl het beter presteert dan platina in alkalische media, zei Chen.

Bij toekomstig werk, de onderzoekers zullen proberen het aantal actieve sites in het materiaal te maximaliseren. Ze kunnen ook het gebruik van andere metalen in hetzelfde nanocomposietplatform onderzoeken, hij zei.