De toekomstige economie op basis van hernieuwbare en duurzame energiebronnen kan gebruikmaken van auto's op batterijen, grootschalige zonne- en windparken, en energiereserves opgeslagen in batterijen en chemische brandstoffen. Hoewel er al voorbeelden van duurzame energiebronnen in gebruik zijn, wetenschappelijke en technische doorbraken zullen de tijdlijn bepalen voor wijdverbreide acceptatie.

Een voorgesteld paradigma om af te stappen van fossiele brandstoffen is de waterstofeconomie, waarin waterstofgas voorziet in de elektrische behoeften van de samenleving. Om waterstofgas massaal te produceren, sommige wetenschappers bestuderen het proces van het splitsen van water - twee waterstofatomen en één zuurstofatoom - wat zou resulteren in waterstofbrandstof en ademend zuurstofgas.

Feng Lin, een assistent-professor scheikunde aan het Virginia Tech College of Science, richt zich op onderzoek naar energieopslag en conversie. Dit werk maakt deel uit van een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Katalyse die een sleutel oplost, fundamentele barrière in het elektrochemische watersplitsingsproces waar het Lin Lab een nieuwe techniek demonstreert om opnieuw in elkaar te zetten, nieuw leven inblazen, en hergebruik een katalysator die energie-efficiënte watersplitsing mogelijk maakt. Chunguang Kuai, een voormalig afgestudeerde student van Lin, is eerste auteur van de studie met Lin en co-auteurs afgestudeerde scheikundestudenten Zhengrui Xu, Anyang Hu, en Zhiji Yang.

De kerngedachte van deze studie gaat terug naar een vak in de algemene scheikundelessen:katalysatoren. Deze stoffen verhogen de snelheid van een reactie zonder te worden verbruikt in het chemische proces. Een manier waarop een katalysator de reactiesnelheid verhoogt, is door de hoeveelheid energie te verminderen die nodig is om de reactie te laten beginnen.

Water lijkt misschien basaal als een molecuul dat uit slechts drie atomen bestaat, maar het proces om het te splitsen is vrij moeilijk. Maar Lin's lab heeft dat gedaan. Zelfs het verplaatsen van één elektron van een stabiel atoom kan energie-intensief zijn, maar deze reactie vereist de overdracht van vier om zuurstof te oxideren om zuurstofgas te produceren.

"In een elektrochemische cel, het overdrachtsproces van vier elektronen zal de reactie behoorlijk traag maken, en we hebben een hoger elektrochemisch niveau nodig om het te laten gebeuren, Lin zei. "Met een hogere energie die nodig is om water te splitsen, de efficiëntie op lange termijn en de stabiliteit van de katalysator worden belangrijke uitdagingen."

Om aan die hoge energiebehoefte te kunnen voldoen, het Lin Lab introduceert een gemeenschappelijke katalysator genaamd gemengd nikkel-ijzerhydroxide (MNF) om de drempel te verlagen. Watersplitsingsreacties met MNF werken goed, maar vanwege de hoge reactiviteit van MNF, het heeft een korte levensduur en de katalytische prestatie neemt snel af.

Lin en zijn team ontdekten een nieuwe techniek die periodieke montage in de oorspronkelijke staat van MNF mogelijk zou maken. waardoor het proces van het splitsen van water kan doorgaan. (Het team gebruikte zoet water in hun experimenten, maar Lin suggereert dat zout water - de meest voorkomende vorm van water op aarde - ook zou kunnen werken.)

MNF heeft een lange geschiedenis met energiestudies. Toen Thomas Edison meer dan een eeuw geleden aan batterijen sleutelde, hij gebruikte ook dezelfde nikkel- en ijzerelementen in op nikkelhydroxide gebaseerde batterijen. Edison observeerde de vorming van zuurstofgas in zijn nikkelhydroxide-experimenten, wat slecht is voor een batterij, maar in het geval van het splitsen van water, productie van zuurstofgas is het doel.

"Wetenschappers realiseren zich al lang dat de toevoeging van ijzer aan het nikkelhydroxide-rooster de sleutel is voor de verbetering van de reactiviteit van watersplitsing." zei Kuai. "Maar onder de katalytische omstandigheden, de structuur van de vooraf ontworpen MNF is zeer dynamisch vanwege de zeer corrosieve omgeving van de elektrolytische oplossing."

Tijdens de experimenten van Lin, MNF degradeert van een vaste vorm tot metaalionen in de elektrolytische oplossing - een belangrijke beperking van dit proces. Maar Lin's team merkte op dat wanneer de elektrochemische cel uit de hoogte klapt, elektrokatalytische potentiaal tot een lage, potentieel verminderen, slechts voor een periode van twee minuten, de opgeloste metaalionen worden weer samengevoegd tot de ideale MNF-katalysator. Dit gebeurt als gevolg van een omkering van de pH-gradiënt binnen het grensvlak tussen de katalysator en de elektrolytische oplossing.

"Tijdens de lage potentiaal gedurende twee minuten, we hebben aangetoond dat we niet alleen nikkel- en ijzerionen terug in de elektrode krijgen, maar ze heel goed met elkaar mengen en zeer actieve katalytische sites creëren, " zei Lin. "Dit is echt spannend, omdat we de katalytische materialen herbouwen op atomaire lengte binnen een elektrochemische interface van enkele nanometers."

Een andere reden waarom de reformatie zo goed werkt, is dat het Lin Lab nieuwe MNF heeft gesynthetiseerd als dunne vellen die gemakkelijker weer in elkaar te zetten zijn dan een bulkmateriaal.

Bevindingen valideren door middel van röntgenstralen

Om deze bevindingen te bevestigen, Lins team voerde synchrotron-röntgenmetingen uit bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory en bij de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource van het SLAC National Accelerator Laboratory. Deze metingen gebruiken hetzelfde uitgangspunt als de gewone röntgenfoto van het ziekenhuis, maar op een veel grotere schaal.

"We wilden observeren wat er tijdens dit hele proces was gebeurd, " zei Kuai. "We kunnen röntgenfoto's gebruiken om letterlijk het oplossen en opnieuw neerslaan van deze metalen ijzers te zien om een ​​fundamenteel beeld te krijgen van de chemische reacties."

Synchrotron-faciliteiten vereisen een enorme lus, vergelijkbaar met de grootte van het Drillfield bij Virginia Tech, die röntgenspectroscopie en beeldvorming met hoge snelheden kan uitvoeren. Dit levert Lin hoge gegevensniveaus onder de katalytische bedrijfsomstandigheden. De studie biedt ook inzicht in een reeks andere belangrijke elektrochemische energiewetenschappen, zoals stikstofreductie, vermindering van kooldioxide, en zink-luchtbatterijen.

"Buiten beeldvorming, talloze röntgenspectroscopische metingen hebben ons in staat gesteld te bestuderen hoe individuele metaalionen samenkomen en clusters vormen met verschillende chemische samenstellingen, Lin zei. "Dit heeft echt de deur geopend voor het onderzoeken van elektrochemische reacties in echte chemische reactieomgevingen."