In de zoektocht naar alternatieven voor op olie gebaseerde brandstoffen, een van de meest veelbelovende en uitdagend, strategieën omvat het splitsen van water. Onderzoekers hebben decennialang vooruitgang geboekt bij het gebruik van zonlicht om watermoleculen te splitsen in zuurstof en waterstof, waarbij het resulterende waterstofgas kan worden gebruikt als opgeslagen brandstof. Maar de methode is nog te duur. Materialen die katalysatoren worden genoemd, zijn nodig om de reactie te laten verlopen, en de katalysator die het beste werkt, platina, is zeldzaam en prijzig. Er wordt gejaagd op goede katalysatoren gemaakt van aardrijk, goedkope materialen.

"Mensen spraken over het splitsen van water toen ik een afgestudeerde student was, tijdens de energiecrisis van eind jaren zeventig. In feite, al in het begin van de 20e eeuw kun je in de literatuur artikelen vinden waar mensen hierover praten, " zegt Jay Winkler (Ph.D. '84), een faculteitsmedewerker en docent scheikunde aan Caltech en lid van het Beckman Institute. "Platinum werkt heel goed als katalysator, maar het is geen praktisch materiaal voor grootschalige energieopwekking omdat er gewoon niet genoeg van is. Sommige andere materialen voeren de reactie goed uit, maar zijn ook zeer zeldzaam."

Winkler en zijn collega's, onder leiding van Harry Gray, de Arnold O. Beckman hoogleraar scheikunde en voormalig afgestudeerd adviseur van Winkler, bezig met het ontwikkelen van nieuwe soorten katalysatoren op basis van milieuvriendelijke materialen zoals ijzer en nikkel. Hun doel is niet alleen om nieuwe katalysatoren te vinden die gemaakt zijn van aardrijk materiaal, maar ook om manieren te vinden om die katalysatoren de watersplitsingsreactie zo efficiënt mogelijk te laten aansturen. Dit zou de totale kosten van de reactie voldoende verlagen om te kunnen concurreren met natuurlijke hulpbronnen zoals olie. Dit onderzoek is verbonden aan het Centre for Chemical Innovation in Solar Fuels (CCI Solar), een National Science Foundation-centrum gevestigd in Caltech.

De focus van Winkler ligt op het zappen van metalen met lasers. Ongeveer vijf jaar geleden, hij en Astrid Müller, toen een stafwetenschapper van Caltech en nu een professor aan de Universiteit van Rochester, een techniek verfijnd waarbij een hoogenergetische gepulseerde laser wordt gefocusseerd op een metaal in een vloeistof (zoals ijzer in water), het genereren van een zeer hoge temperatuur en druk. Het proces creëert een luchtbel die binnen milliseconden een paar keer instort en weer uitzet, het vrijgeven van op ijzer gebaseerde nanodeeltjes, die de kandidaten zijn voor het katalyseren van de watersplitsingsreactie.

"De laserreacties creëren een felle lichtflits en een luide knal, " zegt Winkler. "We moesten er een geluiddichte doos omheen plaatsen omdat je het in de hal kon horen."

Het splitsen van water is in het algemeen, een wat simpele reactie. Het idee is om de energie van zonlicht te gebruiken om twee watermoleculen te splitsen (2H ₂ O) in zuurstof (O ₂ ) en waterstof (2H ₂ ) moleculen. De zuurstof kan vrijkomen in de atmosfeer en de waterstof kan als brandstof worden opgeslagen. De reactie achteruit laten lopen, met behulp van een brandstofcel, wekt elektriciteit op.

"Het uitvoeren van deze reactie vereist energie, en dan slaan we die energie op. We willen katalysatoren vinden die zuurstof sneller en met zo min mogelijk extra energie gaan maken."

Winker en zijn team concentreren zich op de eerste helft van de watersplitsingsreactie; het creëren van de zuurstof. In hun experimenten, als stand-in voor zonlicht, ze gebruiken een elektrode die wordt aangedreven door elektriciteit. Zodra ze hun potentiële katalysatoren hebben gemaakt met behulp van de lasertechniek, ze bekleden de elektrode met de katalysatoren en voeren de reactie uit, om te zien hoe snel zuurstof wordt gegenereerd.

Tot dusver, de onderzoekers hebben een paar goede kandidaten, zoals een soort op ijzer gebaseerd nanodeeltjesmateriaal dat bekend staat als een nikkel-ijzergelaagde dubbele hydroxide nanosheet. Het team heeft geprobeerd erachter te komen waarom deze katalysator goed werkt. In een reeks experimenten, ze ontwikkelden een elektrochemische methode om moleculaire toestanden die tijdens de reactie worden gegenereerd op te vangen en te karakteriseren om erachter te komen welke de sleutel zijn tot de efficiëntie ervan. Ze ontdekten dat een sterk geoxideerde ijzerplaats aan de rand van een nanoblad een essentieel element was in de katalyse. Dit werk, die werd geleid door Bryan Hunter van Harvard University terwijl hij een afgestudeerde student was aan Caltech in het Gray Lab (Ph.D. '17), zal andere onderzoekers helpen de katalysator te tweaken en nog beter te maken.

In de toekomst, het team zal doorgaan met het onderzoeken van nieuwe katalysatoren voor het maken van waterstofbrandstof. Bijvoorbeeld, ze experimenteren met andere vloeistoffen dan water om te gebruiken in hun laserzappende proeven.

"Waterstofbrandstoffen worden nu niet veel gebruikt, "zegt Winkler. "Maar ik denk dat we een punt zullen bereiken waarop we deze brandstoffen efficiënter kunnen maken - en dan zullen ze economisch concurrerender worden."