Een van de grootste uitdagingen om waterstofproductie schoon en goedkoop te maken, is het vinden van een alternatieve katalysator die nodig is voor de chemische reactie die het gas produceert, een die veel goedkoper en overvloediger is dan het zeer dure en zeldzame platina dat momenteel wordt gebruikt. Onderzoekers in Korea hebben nu een manier gevonden om in kleine nanoribbons een goedkope en overvloedige substantie te 'knippen' die bij de rekening past, het verhogen van de katalytische efficiëntie tot ten minste die van platina.

Onderzoekers hebben een potentieel katalysatoralternatief geïdentificeerd - en een innovatieve manier om ze te produceren met behulp van chemische 'schaar' - dat de waterstofproductie zuiniger zou kunnen maken.

Het onderzoeksteam onder leiding van professor Sang Ouk Kim van de afdeling Materials Science and Engineering publiceerde hun werk in: Natuurcommunicatie .

Waterstof zal waarschijnlijk een sleutelrol spelen in de schone overgang van fossiele brandstoffen en andere processen die broeikasgasemissies veroorzaken. Er is een groot aantal transportsectoren, zoals de langeafstandsvaart en de luchtvaart, die moeilijk te elektrificeren zijn en daarom schoon geproduceerde waterstof nodig hebben als brandstof of als grondstof voor andere koolstofneutrale synthetische brandstoffen. Hetzelfde, De productie van kunstmest en de staalsector zullen waarschijnlijk niet "koolstofvrij" worden gemaakt zonder goedkope en schone waterstof.

Het probleem is dat de verreweg de goedkoopste methode om waterstofgas te produceren momenteel uit aardgas bestaat, een proces dat zelf het broeikasgas kooldioxide produceert - wat het doel verslaat.

Alternatieve technieken voor waterstofproductie, zoals elektrolyse met behulp van een elektrische stroom tussen twee elektroden die in water zijn gedompeld om de chemische bindingen die water bij elkaar houden te overwinnen, waardoor het wordt opgesplitst in zijn samenstellende elementen, zuurstof en waterstof zijn zeer goed ingeburgerd. Maar een van de factoren die bijdragen aan de hoge kosten, behalve dat het extreem energie-intensief is, is de behoefte aan het zeer dure kostbare en relatief zeldzame metaal platina. Het platina wordt gebruikt als katalysator - een stof die een chemische reactie op gang brengt of versnelt - in het waterstofproductieproces.

Als resultaat, onderzoekers zijn al lang op zoek naar een vervanging voor platina - een andere katalysator die overvloedig aanwezig is in de aarde en dus veel goedkoper.

Overgangsmetaal dichalcogeniden, of TMD's, in nanomateriaalvorm, worden al enige tijd beschouwd als een goede kandidaat als katalysatorvervanging voor platina. Dit zijn stoffen die zijn samengesteld uit één atoom van een overgangsmetaal (de elementen in het middelste deel van het periodiek systeem) en twee atomen van een chalcogeen-element (de elementen in de voorlaatste kolom in het periodiek systeem, specifiek zwavel, selenium en telluur).

Wat TMD's een goede keuze maakt als vervanging voor platina, is niet alleen dat ze veel overvloediger zijn, maar ook hun elektronen zijn zo gestructureerd dat de elektroden een boost krijgen.

In aanvulling, een TMD dat een nanomateriaal is, is in wezen een tweedimensionale superdunne plaat van slechts enkele atomen dik, net als grafeen. Door de ultradunne aard van een 2-D TMD-nanoblad kunnen veel meer TMD-moleculen worden blootgesteld tijdens het katalyseproces dan het geval zou zijn in een blok van het spul, dus het starten en versnellen van de waterstof-makende chemische reactie nog veel meer.

Echter, zelfs hier zijn de TMD-moleculen alleen reactief aan de vier randen van een nanoblad. In het vlakke interieur, er gebeurt niet veel. Om de chemische reactiesnelheid bij de productie van waterstof te verhogen, de nanosheet zou in zeer dunne, bijna eendimensionale stroken moeten worden gesneden, waardoor er veel randen ontstaan.

In antwoord, het onderzoeksteam ontwikkelde wat in wezen een chemische schaar is die TMD in kleine reepjes kan knippen.

"Tot nu toe, de enige stoffen die iemand in deze 'nano-linten' heeft kunnen veranderen, zijn grafeen en fosforeen, " zei zong professor Kim, een van de onderzoekers die het proces heeft bedacht.

"Maar ze bestaan ​​allebei uit slechts één element, dus het is vrij eenvoudig. Uitzoeken hoe je het voor TMD moet doen, die uit twee elementen bestaat, zou veel moeilijker zijn."

De 'schaar' bestaat uit een proces in twee stappen waarbij eerst lithiumionen in de gelaagde structuur van de TMD-platen worden ingebracht, en vervolgens met behulp van ultrageluid een spontane 'openritsing' in rechte lijnen te veroorzaken.

"Het werkt ongeveer zoals wanneer je een multiplex plank klieft:het breekt gemakkelijk in één richting langs de nerf, Professor Kim ging verder. "Het is eigenlijk heel simpel."

De onderzoekers probeerden het vervolgens met verschillende soorten TMD's, inclusief die van molybdeen, selenium, zwavel, telluur en wolfraam. Alles werkte even goed, met een katalytische efficiëntie die even effectief is als die van platina.

Door de eenvoud van de procedure, deze methode moet niet alleen kunnen worden gebruikt bij de grootschalige productie van TMD-nanoribbons, maar ook om vergelijkbare nanolinten te maken van andere multi-elementaire 2D-materialen voor doeleinden die verder gaan dan alleen waterstofproductie.