In een belangrijke stap in de richting van grootschalige waterstofproductie, onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben een goedkope katalysator ontwikkeld die de splitsing van water kan versnellen om waterstofgas te produceren.

Het splitsen van water met behulp van elektriciteit is een veel onderzochte methode om waterstofgas te genereren, een lang gezochte schone energiebron voor brandstofcellen, batterijen en emissievrije voertuigen. Een van de twee belangrijkste reacties die bij dit proces betrokken zijn, de zuurstofevolutiereactie genaamd, is notoir traag, beperking van de algehele efficiëntie. Onderzoekers hebben zich gericht op het ontwikkelen van betere katalysatoren - materialen die de reactie kunnen versnellen terwijl ze neutraal blijven. De meest efficiënte katalysatoren van vandaag zijn gemaakt van edele metalen zoals ruthenium en platina, die zowel duur als zeldzaam zijn.

Een IISc-team heeft nu een goedkope katalysator ontwikkeld door kobaltoxide te combineren met fosfaatzouten van natrium. De materiaalkosten zijn meer dan tweehonderd keer goedkoper dan de huidige state-of-the-art rutheniumdioxidekatalysator, en de reactiesnelheid is ook sneller, zegt Ritambhara Gond, Promovendus bij het Materials Research Centre (MRC), IISc, wie is de eerste auteur van het artikel gepubliceerd in? Angewandte Chemie .

"Dit materiaal kan zeer nuttig zijn voor grootschalige toepassingen in veel apparaten zoals metaal-luchtbatterijen, brandstofcellen, enzovoort., " ze zegt.

De studie werd geleid door Prabeer Barpanda, Universitair docent bij MRC, IISc, en uitgevoerd in samenwerking met onderzoekers van het Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research (JNCASR).

Wanneer water wordt gesplitst met behulp van elektriciteit in aanwezigheid van een katalysator, waterstofatomen ontvangen elektronen van één elektrode om waterstofgas te vormen, terwijl aan de tegenovergestelde elektrode, zuurstofgas komt vrij (Oxygen Evolution Reaction). Onderzoekers hebben zich grotendeels gericht op het versnellen van de laatste reactie. Katalysatoren van platina- of rutheniummetalen zijn hier het meest efficiënt in. omdat ze de minste energie verspillen, en de reactiesnelheden zijn hoger. Hun kosten en schaarste, echter, belemmert de grootschalige toepassing ervan.

Om goedkope alternatieven te ontwikkelen, het IISc-team wendde zich tot zouten die metafosfaten worden genoemd, die eerder zijn getest voor toepassingen voor energieopslag, maar niet voor katalyse. De onderzoekers roosterden natriummetafosfaat en kobaltoxide in aanwezigheid van argongas in een zuurstofarme oven. Hierdoor ontstond een "vel" van gedeeltelijk verbrande koolstof waarop kristallen van kobaltoxide omlijst door natriummetafosfaat werden uitgespreid.

"De metafosfaten vormen een sterk raamwerk en houden deze kobaltoxiden intact, met een hoge stabiliteit na de katalytische activiteit, ", zegt Gond. Hierdoor zou de katalysator zijn activiteit gedurende meerdere cycli kunnen behouden, wat leidt tot duurzaamheid op lange termijn. De aanwezigheid van het koolstofbed verhoogde ook de geleidbaarheid van de katalysator, en dus de efficiëntie, ze zegt.

In vergelijking met andere katalysatoren, de onderzoekers ontdekten dat de stroomdichtheid - een maat voor hoe snel de reactie kan plaatsvinden - hoger was voor hun katalysator dan zelfs rutheniumdioxide, wijst op superieure katalytische activiteit.

"We zijn nu van plan om deze katalysator te testen in metaal-luchtbatterijen en watersplitsende apparaten, ' zegt Gond.