Elektriciteit kan worden opgewekt door hernieuwbare bronnen zoals zonlicht en wind, dan gebruikt om water te splitsen, die waterstof maakt als brandstof voor opkomende energie-apparaten zoals brandstofcellen. Omdat waterstof een schone brandstof is, onderzoekers steken veel energie in de ontwikkeling van watersplitsende katalysatoren, die essentieel zijn voor de energie-efficiëntie van de reactie.

De focus ligt vooral op de zogenaamde zuurstofevolutiereactie (OER), wat misschien wel het meest uitdagende proces is bij het splitsen van water. Na vele jaren van intensief onderzoek, nikkel-ijzeroxide is nu gevestigd als de beste katalysator voor OER in alkalische omstandigheden vanwege de hoge activiteit en de aardrijke samenstelling, en ook omdat het de hoogste activiteit per reactieplaats heeft van alle metaaloxiden.

Ongeveer drie jaar geleden, wetenschappers met het lab van Xile Hu bij EPFL ontdekten een andere katalysator die significant actiever was dan nikkel-ijzeroxide, ook al had het een vergelijkbare samenstelling. Het is robuust, gemakkelijk te synthetiseren, en open voor industriële toepassingen.

De ontdekking werd geleid door Fang Song, een postdoc in Hu's groep die sindsdien is toegetreden tot de faculteit van de Shanghai Jiaotong University in China. Door zijn technologische potentieel te erkennen, Hé, Liedje, en hun collega Elitsa Petkucheva begonnen de katalysator te testen in een proof-of-concept-project. De katalysator maakte een efficiënte elektrolyseur mogelijk die onder industriële omstandigheden kon werken en 200 mV minder spanning nodig had.

Maar ook scheikundig was de nieuwe katalysator onconventioneel. "We hadden geen idee waarom de katalysator zo actief zou zijn, ", zegt Hu. Dus wendde zijn team zich tot de groep van Clemence Corminboeuf bij EPFL voor hulp. In samenwerking met haar postdoc, Michael Busch, Corminboeuf gebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen om mogelijke theoretische verklaringen te zoeken. DFT is een rekenkundig, kwantummechanische methode die de structuur van veellichamensystemen modelleert en bestudeert, bijv. atomen, en moleculen.

Het resultaat was radicaal:de hoge activiteit van de nieuwe katalysator komt voort uit een samenwerking van twee in fasen gescheiden componenten van ijzer- en nikkeloxiden, die een eerder geïdentificeerde beperking van conventionele metaaloxiden overwon, waarbij de reactie plaatselijk op slechts een enkele metaalplaats plaatsvond. Ze noemden het het bifunctionele mechanisme.

Hoewel het van DFT afgeleide mechanisme hypothetisch was, het leidde experimentele studies naar de activiteit en eigenschappen van de katalysator met Benedikt Lassalle-Kaiser bij Synchrotron SOLEIL in Frankrijk. Met behulp van röntgenabsorptiespectroscopie (XAS), het werk onthulde bewijs van twee in fasen gescheiden ijzer- en nikkeloxiden in de katalysator. Maar omdat katalysatoren tijdens katalyse veranderingen in samenstelling en structuur kunnen ondergaan, het werd noodzakelijk om de katalysator in werking met XAS te bestuderen.

In een uitgebreide operando XAS-studie, Chen en zijn afgestudeerde student, Chia Shuo Hsu, onthulde een unieke structuur van de katalysator - deze is gemaakt van nanoclusters van γ-FeOOH covalent gekoppeld aan een γ-NiOOH-drager, waardoor het een ijzer-nikkeloxide katalysator is, in tegenstelling tot het conventionele nikkel-ijzeroxide. Hoewel geen direct bewijs, deze structuur is compatibel met het door DFT voorgestelde bifunctionele mechanisme.

"Dit is een echt interdisciplinair onderzoek met veel vruchtbare samenwerkingen, " zegt Hu. "De fundamentele studies geven niet alleen inzicht in de structuur en activiteit van deze onconventionele katalysator, maar ook leiden tot een tot nadenken stemmende mechanistische hypothese."