Efficiënt massaal produceren van waterstof uit water komt dichterbij dankzij de Oregon State University College of Engineering-onderzoekers en medewerkers van Cornell University en het Argonne National Laboratory.

De wetenschappers gebruikten geavanceerde experimentele hulpmiddelen om een ​​beter begrip te krijgen van een elektrochemisch katalytisch proces dat schoner en duurzamer is dan waterstof uit aardgas te halen.

De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Waterstof wordt aangetroffen in een breed scala van verbindingen op aarde, meestal gecombineerd met zuurstof om water te maken, en het heeft veel wetenschappelijke, industriële en energiegerelateerde functies. Het komt ook voor in de vorm van koolwaterstoffen, verbindingen bestaande uit waterstof en koolstof zoals methaan, het hoofdbestanddeel van aardgas.

"De productie van waterstof is belangrijk voor veel aspecten van ons leven, zoals brandstofcellen voor auto's en de productie van veel nuttige chemicaliën zoals ammoniak, " zei Zhenxing Feng van de staat Oregon, een professor in de chemische technologie die de studie leidde. "Het wordt ook gebruikt bij de raffinage van metalen, voor het produceren van door de mens gemaakte materialen zoals kunststoffen en voor een reeks andere doeleinden."

Volgens het ministerie van Energie, de Verenigde Staten produceren het grootste deel van hun waterstof uit een methaanbron zoals aardgas via een techniek die bekend staat als stoom-methaanreforming. Het proces omvat het onderwerpen van methaan aan stoom onder druk in aanwezigheid van een katalysator, het creëren van een reactie die waterstof en koolmonoxide produceert, evenals een kleine hoeveelheid koolstofdioxide.

De volgende stap wordt de water-gasverschuivingsreactie genoemd, waarbij het koolmonoxide en de stoom via een andere katalysator worden omgezet, het maken van kooldioxide en extra waterstof. In de laatste stap, drukverandering adsorptie, kooldioxide en andere onzuiverheden worden verwijderd, zuivere waterstof achterlatend.

"Vergeleken met het hervormen van aardgas, het gebruik van elektriciteit uit hernieuwbare bronnen om water te splitsen voor waterstof is schoner en duurzamer, ' zei Feng. 'Echter, de efficiëntie van watersplitsing is laag, voornamelijk vanwege de hoge overpotentiaal - het verschil tussen de werkelijke potentiaal en de theoretische potentiaal van een elektrochemische reactie - van een belangrijke halfreactie in het proces, de zuurstofevolutiereactie of OER."

Een halfreactie is een van de twee delen van een redox, of reductie-oxidatie, reactie waarbij elektronen worden overgedragen tussen twee reactanten; reductie verwijst naar het verkrijgen van elektronen, oxidatie betekent het verliezen van elektronen.

Het concept van halfreacties wordt vaak gebruikt om te beschrijven wat er in een elektrochemische cel gebeurt, en halfreacties worden vaak gebruikt als een manier om redoxreacties in evenwicht te brengen. Overpotentiaal is de marge tussen de theoretische spanning en de werkelijke spanning die nodig is om elektrolyse te veroorzaken - een chemische reactie die wordt aangedreven door het aanleggen van elektrische stroom.

"Elektrokatalysatoren zijn van cruciaal belang voor het bevorderen van de watersplitsingsreactie door het overpotentiaal te verlagen, maar het ontwikkelen van krachtige elektrokatalysatoren is verre van eenvoudig, " zei Feng. "Een van de belangrijkste hindernissen is het gebrek aan informatie over de evoluerende structuur van de elektrokatalysatoren tijdens de elektrochemische operaties. Het begrijpen van de structurele en chemische evolutie van de elektrokatalysator tijdens de OER is essentieel voor het ontwikkelen van hoogwaardige elektrokatalysatormaterialen en, beurtelings, duurzame energie."

Feng en medewerkers gebruikten een reeks geavanceerde karakteriseringstools om de atomaire structurele evolutie van een ultramoderne OER-elektrokatalysator te bestuderen, strontiumiridaat (SrIrO ₃ ), in zuur elektrolyt.

"We wilden de oorsprong van zijn recordhoge activiteit voor de OER-1 begrijpen, 000 keer hoger dan de gewone commerciële katalysator, iridiumoxide, "Zei Feng. "Met behulp van op synchrotron gebaseerde röntgenfaciliteiten in Argonne en laboratoriumgebaseerde röntgenfoto-elektronspectroscopie op de Northwest Nanotechnology Infrastructure-site bij OSU, we observeerden de oppervlaktechemische en kristallijne-naar-amorfe transformatie van SrIrO ₃ tijdens de OER."

De waarnemingen leidden tot een diep begrip van wat er gaande was achter het vermogen van strontiumiridaat om zo goed als katalysator te werken.

"Onze gedetailleerde, bevinding op atomaire schaal verklaart hoe de actieve strontiumiridaatlaag zich vormt op strontiumiridaat en wijst op de cruciale rol van de roosterzuurstofactivering en gekoppelde ionische diffusie bij de vorming van de actieve OER-eenheden, " hij zei.

Feng voegde eraan toe dat het werk inzicht geeft in hoe toegepast potentieel de vorming van functionele amorfe lagen op het elektrochemische grensvlak vergemakkelijkt en leidt tot mogelijkheden voor het ontwerp van betere katalysatoren.