Zweedse onderzoekers hebben een nieuwe en efficiënte manier ontdekt om elektrokatalyse te gebruiken om waterstofgas uit water te produceren. In plaats van dure en moeilijk verkrijgbare platina-elektroden te gebruiken, de nieuwe methode maakt gebruik van elektroden met nanotruss-structuren van ijzeroxide. Het onderzoek wordt geleid door professor Ulf Helmersson.

De onderzoeksgroep Plasma and Coatings Physics van de Universiteit van Linköping maakt dunne films van nanomaterialen. Om dit te doen, de onderzoekers gebruiken een techniek die bekend staat als 'gepulseerd plasmasputteren'. Het basisproces, sputteren, is een veelgebruikte coatingmethode die wordt gebruikt in de industrie en onderzoek. Atomen worden op een substraat in een kamer gesputterd om een ​​dunne laag van constante dikte te vormen, met behulp van geïoniseerd gas. De LiU-onderzoekers hebben de techniek verder ontwikkeld en gebruiken korte maar zeer efficiënte pulsen van een plasma om nanodeeltjes van de gesputterde atomen te laten groeien. De nanodeeltjes groeien terwijl ze in het gas drijven.

Echter, in een van de experimenten van Sebastian Ekeroth, doctoraatsstudent in de fysica van plasma en coatings, het materiaal bleek helemaal op de verkeerde plek te zijn gevormd.

"Het leek alsof er puin in de kamer rondslingerde. Ik onderzocht een deel ervan in een microscoop en zag een verwarde bundel nanodraden, " hij herinnert zich.

Professor Ulf Helmersson realiseerde zich de betekenis van de bevindingen, en een nieuw onderzoeksveld op basis van ferromagnetische nanostructuren werd opgericht.

Onderzoekers over de hele wereld raken steeds meer geïnteresseerd in ferromagnetische nanodeeltjes en hoe ze kunnen worden geproduceerd, in het bijzonder in verschillende soorten oplossingen. Deze magnetische materialen worden steeds interessanter voor energieopslag (met een bijzondere interesse in de opslag van energie uit hernieuwbare bronnen), katalyse, en de synthese van chemicaliën.

De groep bij LiU, in samenwerking met onderzoekers van Umeå University, heeft een methode ontwikkeld om de productie van ferromagnetische nanostructuren te sturen met behulp van gepulseerd plasmasputteren. Het resultaat is gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nanoletters .

In dit geval, Sebastian Ekeroth heeft geïoniseerd argon gebruikt dat in een kamer is gebracht met een ijzeren kathode en een roestvrijstalen anode. IJzeratomen worden uit de kathode gesputterd en vormen nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 20 nm. Een aangelegd magnetisch veld zorgt ervoor dat de ijzerdeeltjes, die intrinsiek magnetisch zijn, om samen te komen en een stabiele en goed gedefinieerde truss-structuur te vormen, zowel op papier als op metalen oppervlakken.

De volledige structuur, met al zijn hoeken en knopen, is ook bedekt met een laag ijzeroxide met een dikte van 2 nm, wanneer de constructie wordt blootgesteld aan lucht.

"De manier waarop de ijzerdeeltjes in elkaar haken geeft een zeer stabiele structuur. De omgeving in een elektrolyt kan erg ruig zijn. Als de geleidbaarheid behouden moet blijven tot het einde van het proces, het is belangrijk dat de structuur niet uiteenvalt, ', zegt Sebastiaan Ekeroth.

De methode kan ook worden gebruikt voor grote oppervlakken.

"De methode is geschikt voor toepassingen waarbij een driedimensionaal materiaal nodig is over grote gebieden, ', zegt Ulf Helmersson.

De onderzoekers beschrijven in het artikel in Nanoletters hoe ze met succes een kathode met ijzeroxide nanostructuren op het oppervlak van een geleidende laag carbonpapier hebben gebruikt om water af te breken in waterstof en zuurstof.

Deze elektrode heeft veel voordelen ten opzichte van dure elektroden gemaakt van het moeilijk verkrijgbare platina. De nieuwe elektrode is lichtgewicht, kan worden gebogen, heeft een hoge capaciteit, en is uitsluitend samengesteld uit milieuvriendelijke en gemakkelijk te verkrijgen stoffen, namelijk ijzer, zuurstof en koolstof.

Het waterstofgas heeft een hoge energie-inhoud. Wanneer de chemische energie in de waterstof wordt omgezet in elektrische energie in een brandstofcel, het enige afvalproduct dat wordt gevormd is water. Interesse in brandstofcellen neemt gestaag toe, voornamelijk om milieuredenen. Echter, 96% van de waterstof die momenteel wordt geproduceerd, is afkomstig van niet-hernieuwbare bronnen. Er wordt gezocht naar milieuvriendelijkere methoden om waterstof te produceren. Deze laatste is ook een potentiële energiedrager, en dus een mogelijk medium voor het opslaan van energie verkregen uit, bijvoorbeeld, zonnebronnen of windenergie.

"De productie van waterstof is een belangrijke toepassing, maar we zijn ook op zoek

op andere gebieden, zoals elektroden in batterijen, in supercondensatoren, en voor gebruik bij fotokatalyse, ", zegt Ulf Helmersson.