Chemici van de Universiteit van Oregon hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verbeteren van de katalytische waterdissociatiereactie in elektrochemische reactoren, zogenaamde bipolaire membraanelektrolysers, om watermoleculen efficiënter uit elkaar te halen in positief geladen protonen en negatief geladen hydroxide-ionen.

De vondst, online gepubliceerd voor print in het tijdschrift Wetenschap , biedt een routekaart om elektrochemische apparaten te realiseren die profiteren van de belangrijkste eigenschap van de werking van bipolaire membranen - om de protonen en hydroxide-ionen in het apparaat te genereren en de ionen rechtstreeks aan de elektroden te leveren om de uiteindelijke chemische producten te produceren.

De technologie achter bipolaire membranen, die gelaagde ionenuitwisselingspolymeren zijn met een waterdissociatiekatalysatorlaag, ontstond in de jaren vijftig. Hoewel ze op kleine schaal industrieel zijn toegepast, hun prestaties zijn momenteel beperkt tot werking met een lage stroomdichtheid, die bredere toepassingen in de weg staan.

Onder hen zijn apparaten om waterstofgas te produceren uit water en elektriciteit, vang koolstofdioxide uit zeewater, en op koolstof gebaseerde brandstoffen rechtstreeks uit koolstofdioxide te maken, zei co-auteur Shannon W. Boettcher, een professor in de UO's Department of Chemistry and Biochemistry en stichtend directeur van het Oregon Center for Electrochemistry,

"Ik vermoed dat onze bevindingen een heropleving in de ontwikkeling van bipolaire membraanapparaten en onderzoek naar de fundamenten van de waterdissociatiereactie zullen versnellen, zei Boettcher, die ook lid is van het Materials Science Institute en een medewerker op de Phil and Penny Knight Campus van de UO voor het versnellen van wetenschappelijke impact.

"De prestatie die we hebben laten zien is voldoende hoog, " zei hij. "Als we de duurzaamheid kunnen verbeteren en de bipolaire membranen kunnen produceren met onze industriële partners, er moeten belangrijke onmiddellijke toepassingen zijn."

Typisch, op water gebaseerde elektrochemische apparaten zoals batterijen, brandstofcellen en elektrolysers werken met een enkele pH in het hele systeem, dat wil zeggen:het systeem is zuur of basisch, zei hoofdauteur van de studie, Sebastian Z. Oener, een postdoctoraal wetenschapper ondersteund door een fellowship van de Duitse Onderzoeksstichting in het laboratorium van Boettcher.

"Vaak, dit leidt tot het gebruik van dure edelmetalen om elektrodereacties te katalyseren, zoals iridium, een van de zeldzaamste metalen op aarde, of het opofferen van katalysatoractiviteit, die, beurtelings, verhoogt de benodigde energie-input van de elektrochemische reactor, " zei Oener. "Een bipolair membraan kan deze wisselwerking overwinnen door elke elektrokatalysator lokaal in zijn ideale pH-omgeving te laten werken. Dit verhoogt de adem van stabiel, aard-overvloedige beschikbaarheid van katalysator voor elke halfreactie."

Het driekoppige team, waaronder ook afgestudeerde student Marc J. Foster, gebruikt een membraan-elektrode assemblage waarbij het polymeer bipolaire membraan wordt gecomprimeerd tussen twee stijve poreuze elektroden. Deze aanpak stelde hen in staat een groot aantal bipolaire membranen te maken met verschillende waterdissociatiekatalysatorlagen en de activiteit voor elk nauwkeurig te meten.

Het team ontdekte dat de exacte positie van elke katalysatorlaag in de bipolaire membraanovergang - het grensvlak tussen een hydroxidegeleidende laag en de protongeleidende laag in het bipolaire membraan - de katalysatoractiviteit dramatisch beïnvloedt. Hierdoor konden ze katalysatordubbellagen gebruiken om record-presterende bipolaire membranen te realiseren die in wezen water dissociëren met verwaarloosbare verloren extra energie-input.

"De grootste verrassing was het besef dat de prestaties aanzienlijk konden worden verbeterd door verschillende soorten katalysatoren op elkaar te leggen, "Zei Boettcher. "Dit is eenvoudig, maar was nog niet volledig onderzocht."

Een tweede belangrijke bevinding, Oener zei, is dat de waterdissociatiereactie die plaatsvindt in het bipolaire membraan fundamenteel gerelateerd is aan die welke plaatsvindt op elektrokatalysatoroppervlakken, zoals wanneer protonen direct worden geëxtraheerd uit watermoleculen bij het maken van waterstofbrandstof in basische pH-omstandigheden.

"Dit is uniek omdat het niet eerder mogelijk was om de afzonderlijke stappen die optreden tijdens een elektrochemische reactie te scheiden, ' zei Oener. 'Ze zijn allemaal met elkaar verbonden, waarbij elektronen en tussenproducten betrokken zijn, en gaan snel in serie. De bipolaire membraanarchitectuur stelt ons in staat om de chemische stap van de waterdissociatie te isoleren en afzonderlijk te bestuderen."

die bevinding, hij zei, zou ook kunnen leiden tot verbeterde elektrokatalysatoren voor reacties die direct gereduceerde brandstoffen uit water maken, zoals het maken van waterstofgas of vloeibare brandstof uit afvalkooldioxide.

De ontdekkingen, Boettcher zei, een voorlopig mechanisch model geven, een die het veld zou kunnen openen en nog veel meer studies zou kunnen motiveren.

"We zijn verheugd om de reactie van de onderzoeksgemeenschap te zien en te zien of deze bevindingen kunnen worden vertaald naar producten die de afhankelijkheid van de samenleving van fossiele brandstoffen verminderen, " hij zei.