De sandwich is een voedsel dat door de 18e-eeuwse edelen is verzonnen om ononderbroken kaartspellen te spelen. Vlees of groenten werden gelaagd en vervolgens tussen brood gestopt om snel te worden gegeten terwijl ze bezig waren met het spel. Dit efficiënte voedsel leverde ook voldoende calorieën en voeding op. Een POSTECH-onderzoeksteam heeft ontdekt dat laagjes zoals de sandwich een uitstekende manier zijn om waterstofenergie te verkrijgen, een alternatieve energiebron voor fossiele brandstoffen.

Het onderzoeksteam onder leiding van professor In Su Lee, SunWoo Jang, een student in de MS/Ph.D. geïntegreerd programma, en Dr. Soumen Dutta van de afdeling Chemie van POSTECH hebben samen een sandwich-gestructureerde katalysator ontwikkeld die efficiënt waterstofenergie kan genereren door waterelektrolyse te activeren. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het internationale tijdschrift van de American Chemical Society ACS Nano .

Waterstofbrandstofcellen zijn milieuvriendelijke stroomopwekkende apparaten die elektriciteit opwekken met behulp van chemische reacties die water produceren (H ₂ O) uit zuurstof (O ₂ ) en waterstof (H ₂ ). Met de recente introductie van voertuigen op waterstof en de verspreiding van waterstofbrandstofcellen in huishoudens, waterstof wordt algemeen gezien als de energiebron van de volgende generatie om fossiele brandstoffen te vervangen. De manier waarop water wordt afgebroken en waterstof wordt geproduceerd met behulp van overtollige stroom die wordt verkregen uit zonne- of windenergie, wordt beschouwd als de gemakkelijkste en meest milieuvriendelijke manier om waterstof met een hoge zuiverheid in grote hoeveelheden te produceren. Echter, deze methode heeft het nadeel dat ze een laag productierendement en een hoge kostprijs heeft. Om de eenheidsprijs van waterstofbrandstof geproduceerd door waterelektrolyse te verlagen, het is noodzakelijk om zeer actieve en stabiele elektrochemische katalysatoren te ontwikkelen die de efficiëntie van de waterstofgeneratie kunnen maximaliseren.

Platina (Pt) wordt beschouwd als de meest geschikte katalysator voor waterstofproducerende reacties, maar de lage affiniteit voor watermoleculen en de resulterende lage snelheid van waterelektrolyse maken het moeilijk om toe te passen op commerciële processen die plaatsvinden onder alkalische elektrolytomstandigheden. Om deze beperkingen te compenseren, er zijn veel pogingen gedaan om metaalsulfide te combineren met platina-nanodeeltjes die waterelektrolyse bevorderen, maar de onstabiele aard van platina/metaalsulfide-oppervlakken vormt een andere zwakte die de duurzaamheid van katalysatoren aanzienlijk vermindert.

In antwoord, het onderzoeksteam ontwierp een tweedimensionale vorm van platina/metaalhydroxide-interface om tegelijkertijd de efficiëntie en duurzaamheid van katalysatoren te verbeteren. In een originele techniek om een ​​platinalaag van ongeveer 1 nm te laten groeien op het oppervlak van nikkel/ijzer-dubbel-hydroxide (LDH), die enkele nanometers dik is, 2-D-2-D nanohybride materialen in de vorm van sandwiches met 2-D-nikkel/ijzerhydroxide-nanoplaten zijn met succes gesynthetiseerd.

De gesynthetiseerde sandwichkatalysator heeft een synergetisch katalytisch effect tussen metaalhydroxide en platina, die in nauw contact staan ​​via een brede 2-D-2-D-interface. Momenteel, het vertoont meer dan 6 keer de activiteit van het conventionele katalytische materiaal (20%-Pt/C), en handhaaft een stabiele katalytische functie zonder de activiteit te verminderen, zelfs bij de waterstofproducerende waterelektrolyse gedurende meer dan 50 uur.

"Sandwichkatalysatoren hebben de hoogste waterstofproducerende katalytische activiteit in alkali-oplossing onder stoffen die geen koolstofdragers gebruiken, maar zijn aanzienlijk duurzamer dan vergelijkbare elektrochemische katalysatoren die slechts drie tot vijf uur stabiel zijn, " zei professor In Su Lee die het onderzoek leidde. "We verwachten dat ze zullen worden toegepast bij het ontwikkelen van een kosteneffectief proces voor de productie van waterstof."