Waterstof heeft de afgelopen jaren de aandacht getrokken als een potentiële bron van schone energie, omdat het verbrandt zonder schadelijke emissies voor het klimaat. Traditionele waterstofproductiemethoden hebben echter een aanzienlijke ecologische voetafdruk en schonere methoden zijn duur en technisch complex.

Nu melden onderzoekers een aanzienlijke vooruitgang, een katalysator met twee elektroden die afhankelijk is van één verbinding om efficiënt waterstof en zuurstof te produceren uit zowel zeewater als zoet water. Eerdere pogingen met dergelijke bifunctionele katalysatoren om water te splitsen in waterstof en zuurstof hebben in het algemeen geresulteerd in slechte prestaties in een van de twee functies. Het gebruik van twee afzonderlijke katalysatoren werkt, maar verhoogt de fabricagekosten van de katalysatoren.

In werk beschreven in Energie- en milieuwetenschappen , rapporteren onderzoekers van de Universiteit van Houston, de Chinese Universiteit van Hong Kong en de Central China Normal University dat ze een nikkel/molybdeen/stikstofverbinding gebruiken, aangepast met een kleine hoeveelheid ijzer en gekweekt op nikkelschuim om efficiënt waterstof te produceren en vervolgens, via een proces van elektrochemische reconstructie veroorzaakt door cyclische spanning, omgezet in een verbinding die een even krachtige reactie van zuurstofontwikkeling produceerde.

De onderzoekers zeiden dat het gebruik van een enkele verbinding voor zowel de waterstofevolutiereactie (HER) als de zuurstofevolutiereactie (OER) - hoewel enigszins veranderd door het reconstructieproces - niet alleen het splitsen van water betaalbaarder maakt, het vereenvoudigt ook de technische uitdagingen.

De meeste materialen zijn het meest geschikt voor HER of OER, maar beide reacties zijn nodig om de chemische reactie te voltooien en waterstof uit water te produceren. Zhifeng Ren, directeur van het Texas Center for Superconductivity aan de UH en een corresponderende auteur van het artikel, zei dat de nieuwe katalysator niet alleen efficiënte operaties met een enkele katalysator mogelijk maakt, maar ook even goed werkt in zee- en zoetwater. "Vergeleken met bestaande katalysatoren, komt dit overeen met de beste ooit gerapporteerd," zei hij.

Met behulp van alkalisch zeewater en werkend onder quasi-industriële omstandigheden, leverde de katalysator een stroomdichtheid van 1.000 milliampère/centimeter kwadraat met slechts 1,56 volt in zeewater, wat stabiel bleef gedurende 80 uur testen.

De sterke prestatie van de katalysator in zeewater zou een probleem kunnen oplossen:de meeste beschikbare katalysatoren werken het beste in zoet water. Het splitsen van zeewater is ingewikkelder, deels vanwege corrosie in verband met het zout en andere mineralen. Ren, die ook M.D. Anderson Chair Professor of Physics aan de UH is, zei dat de nieuwe katalysator ook zuivere zuurstof genereert, waardoor het potentiële bijproduct van corrosief chloorgas dat door sommige katalysatoren wordt geproduceerd, wordt vermeden.

Maar door droogte en bevolkingsgroei wordt de zoetwatervoorziening steeds meer beperkt. Zeewater daarentegen is er in overvloed. "Normaal gesproken, zelfs als een katalysator werkt voor zout water, vereist het een hoger energieverbruik", zei Ren. "In dit geval is bijna hetzelfde energieverbruik als zoet water heel goed nieuws."

Shuo Chen, universitair hoofddocent natuurkunde aan de UH en co-corresponderende auteur van het artikel, zei dat de door de katalysator gerapporteerde sterke stroomdichtheid bij een relatief lage spanning de energiekosten voor de productie van waterstof verlaagt. Maar dat is slechts één manier waarop de katalysator de betaalbaarheid aanpakt, zei Chen, die ook hoofdonderzoeker is bij TcSUH.

Door één materiaal te gebruiken - de ijzer-geknepen nikkel/molybdeen/stikstofverbinding - voor de HER en vervolgens cyclische spanning te gebruiken om een ​​elektrochemische reconstructie te activeren om een ​​iets ander materiaal te produceren, een ijzeroxide/molybdeen/nikkeloxide, voor de OER, onderzoekers elimineren de noodzaak van een tweede katalysator en vereenvoudigen tegelijkertijd de technische vereisten, zei Chen.

"Als je een apparaat maakt met twee verschillende materialen op twee elektroden, moet je uitzoeken hoe de elektrische lading door elke elektrode kan stromen en de structuur ontwerpen die daarop past," zei ze. "In dit geval is het materiaal niet precies hetzelfde, omdat één (elektrode) elektrochemische reconstructie ondergaat, maar het is een zeer vergelijkbaar materiaal, dus de engineering is eenvoudiger."

Naast Ren en Chen zijn onder meer Minghui Ning, Fanghao Zhang, Libo Wu, Xinxin Xing, Dezhi Wang, Shaowei Song en Jiming Bao, allen met UH; Qiancheng Zhou van de Centraal-Chinese Normale Universiteit; en Luo Yu van de Chinese Universiteit van Hong Kong. + Verder verkennen

Nieuwe katalysator produceert efficiënt waterstof uit zeewater