Waterstof, het meest voorkomende element in het universum, geeft een krachtige stoot. En omdat het geen koolstof bevat, het produceert alleen water wanneer het als brandstof wordt gebruikt. Maar op aarde, waterstof bestaat meestal in combinatie met andere elementen, wat betekent dat het moet worden geëxtraheerd.

Om de schone kracht van waterstof te benutten voor energietoepassingen en andere toepassingen, onderzoekers kijken naar betaalbare manieren om waterstof te produceren en op te slaan.

Nieuw onderzoek van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) toont aan dat een combinatie van nederige mineralen andere edele metalen materialen overtreft als het gaat om de productie van waterstof. Met medewerkers van de Oregon State University (OSU), de onderzoekers testten een molybdeen-fosfide (MoP) katalysator met afvalwater in een kleine reactor die een microbiële elektrolysecel (MEC) wordt genoemd. Testresultaten toonden aan dat MoP beter werkte dan platina, een kostbaar en duur metaal dat doorgaans wordt gebruikt vanwege zijn hoge katalytische prestaties. De MoP-katalysator produceerde ook vijf keer zo snel waterstof als andere niet-platina-katalysatoren die in verwante onderzoeken zijn gerapporteerd.

Maar de echte kicker? Hun katalysator werkte ook goed met zeewater.

"Als je waterstof kunt maken uit zeewater, de resource pool is vrijwel onbeperkt, " zei Yuyan Shao, een materiaalwetenschapper bij PNNL die het katalysatoronderzoek leidde.

zoals zeewater, het MoP-katalysatormateriaal is overal verkrijgbaar, en daarom, goedkoop. De katalysator werkte ook met afvalwater, een andere alomtegenwoordige bron.

Details van de studie van het team verschijnen in het tijdschrift ACS Katalyse . De bevindingen komen voort uit een driejarig project gefinancierd door het Fuel Cell Technologies Office van het Department of Energy.

Een beter alternatief

Een van de meest gebruikelijke methoden voor het produceren van waterstof is een proces dat elektrolyse wordt genoemd. Dit proces combineert elektriciteit met verschillende chemicaliën, elektrolyten genoemd, en een vast katalysatormateriaal. De daaropvolgende reactie produceert waterstof, maar het hele proces kost veel energie en kostbare bronnen zoals platina.

Vergisting met behulp van hernieuwbare bronnen of afvalstromen belooft een betaalbare waterstofproductie. Maar het fermentatieproces werkt langzaam, de opbrengsten zijn laag, en de productstroom vereist dure schoonmaak vanwege andere bijproducten van fermentatie. In MEC's, een elektrische stroom wordt gekoppeld aan bacteriën om organische stoffen af ​​te breken en waterstof te maken. Helaas, de cellen gebruiken ook kostbaar platina voor het reactieoppervlak, en als niet-platinakatalysatoren worden gebruikt, waterstofopbrengsten blijven laag.

Bij OSU, onderzoekers ontwikkelden een hybride MEC-ontwerp waarin fermentatie en elektrolyse plaatsvinden in een enkele pot in plaats van afzonderlijke stappen, en de bijproducten worden direct geconsumeerd in het proces. Dit geïntegreerde ontwerp verhoogt de productiviteit en verlaagt de apparatuurkosten. Maar met de hoge kosten van platina, het team had een katalysator nodig die de productiekosten kon verlagen tot ongeveer twee dollar per kilogram waterstof.

Tweede fase verrassing

Voortbouwend op eerdere ontdekkingen met de MoP-katalysator, Onderzoekers van PNNL onderzochten de katalysator voor gebruik in MEC's. Het onderzoeksteam begon met de MoP-combinatie vanwege de affiniteit voor het activeren, of scheiden, water moleculen. De katalysator is ook afstembaar - de hoeveelheid van elk mineraal kan worden aangepast. Volgens de hypothese van het team, deze afstemming zou de hoeveelheid waterstof die in een enkele reactie wordt geproduceerd optimaliseren.

Ze hadden deels gelijk.

Onder een krachtige microscoop, ze ontdekten dat de katalysator samengevoegd tot een mengsel van twee verschillende kristalfasen - MoP en MoP ₂ . De atomaire structuur voor elke fase was anders, leiden tot verschillende reacties. Terwijl MoP2 waterstofatomen vrijmaakte uit de watermoleculen, MoP zette de waterstofatomen om in waterstofgasmoleculen. De twee actieve sites versterkten de algehele reactie.

"We hadden de gelijktijdige vorming van de twee kristalfasen niet verwacht, "zei Shao. "De twee fasen werken veel beter dan de enkele fase."

De onderzoekers voerden hun experimenten uit onder neutrale pH-omstandigheden in zowel de hybride cel bij OSU met afvalwater als in een andere reactor bij PNNL met behulp van zeewater. met consistente resultaten. Shao zei dat deze bevindingen de onderzoekers het vertrouwen geven dat de methode degelijk is, elimineert platina en andere bijproducten, en houdt een grote belofte in voor het bevorderen van waterstof- en brandstofceltechnologieën.