Onderzoekers hebben de toekomst van hernieuwbare energie misschien een stap dichterbij gebracht. Een nieuwe elektrode kan de waterstofevolutiereactie (HER) uitvoeren in zure omstandigheden, waardoor de technologie zowel goedkoper als effectiever wordt. Het proces wordt geholpen door een slimme vorm van grafeen.

De elektrolyse van water tot waterstof is essentieel voor energieopslag in een groene economie. Een van de grootste obstakels, echter, is de hoge kosten van edelmetaalelektroden. Goedkopere niet-edelen werken, maar voornamelijk in alkalische omstandigheden, waar de reactie veel elektriciteit verbruikt; de efficiëntere zuurfasereactie vereist schaarse basismetalen zoals platina. Nog steeds slechter, de zure elektrolyten zijn bijtend en vreten het kernmetaal aan.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Tsukuba hebben ontdekt dat "gatachtig" grafeen een oplossing biedt voor dit probleem. Ze gebruikten met stikstof gedoteerde grafeenplaten om een ​​nikkel-molybdeen (NiMo) elektrodelegering in te kapselen. Cruciaal, het grafeen zat vol gaten ter grootte van nanometers, als een vergiet. In een studie in ACS Katalyse , ze toonden aan dat in zure omstandigheden, het nieuwe HER-systeem presteert aanzienlijk beter dan een elektrode die regulier grafeen zonder gaten gebruikt.

Het gebruik van grafeen in HER-elektroden is niet nieuw – dit flexibele, geleidende koolstofplaat is ideaal om rond het kernmetaal te wikkelen. Echter, terwijl het metaal wordt beschermd tegen corrosie, grafeen onderdrukt ook zijn chemische activiteit. In het nieuwe Tsukuba-systeem, de allerbelangrijkste gaten bevorderen de reactie op twee manieren, terwijl het intacte grafeendeel het metaal beschermt.

"We hebben gaten gemaakt door het NiMo-oppervlak te versieren met nanodeeltjes van silica, " legt studie co-auteur Kailong Hu uit. "Dan, toen we de grafeenlaag afzetten, gaten werden achtergelaten op de nanodeeltjesposities - als een reliëfkunstwerk. In feite, de gaten zijn meer dan alleen gaten - ze worden omringd door chemisch actieve richels die 'franjes' worden genoemd. Technisch gezien, deze franjes zijn structurele defecten, maar ze sturen de chemie van de elektrode aan."

Vergeleken met normaal grafeen, de randen zijn meer hydrofiel. Dit trekt hydronium (H3O+) aan in de zure oplossing, die een cruciale rol speelt in een van de twee HER-mechanismen. De randen zijn ook uitstekend in het adsorberen van enkele H-atomen, wat zorgt voor extra oppervlakte voor het andere belangrijke HER-proces. Als resultaat, H2 wordt even efficiënt geproduceerd als op een conventionele (maar dure) Pt/C-elektrode. In de tussentijd, het niet-gatachtige deel van grafeen vertraagt ​​het oplossen van de metaalkatalysator in het zuur.

"Dit is een veelzijdig nieuw concept voor elektroden voor waterstofevolutie, " zegt hoofdauteur Yoshikazu Ito. "Het doel is om het overpotentieel dat nodig is voor de reactie te minimaliseren. Daarom, het is niet beperkt tot een bepaalde katalysator. We hebben onze gatenachtige grafeenlaag specifiek afgestemd op NiMo door de grootte en het aantal gaten te optimaliseren. Wat indrukwekkend is, is dat de katalysator nog steeds stabiel was in zuur, ondanks de gaten. In de toekomst, holey grafeen kan worden aangepast aan een reeks metalen, de efficiëntie van waterstofproductie naar volledige adoptie te duwen."