Waterstof is een duurzame bron van schone energie die giftige emissies vermijdt en waarde kan toevoegen aan meerdere sectoren in de economie, waaronder transport, stroomopwekking, productie van metalen, onder andere. Technologieën voor opslag en transport van waterstof overbruggen de kloof tussen duurzame energieproductie en brandstofgebruik, en zijn daarom een ​​essentieel onderdeel van een levensvatbare waterstofeconomie. Maar traditionele opslag- en transportmiddelen zijn duur en vatbaar voor besmetting. Als resultaat, onderzoekers zoeken naar alternatieve technieken die betrouwbaar zijn, goedkoop en eenvoudig. Efficiëntere waterstofafgiftesystemen zouden veel toepassingen ten goede komen, zoals stationaire energie, draagbare energie, en mobiele voertuigindustrieën.

Nutsvoorzieningen, zoals gerapporteerd in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekers hebben een effectief materiaal ontworpen en gesynthetiseerd om een ​​van de beperkende stappen bij het extraheren van waterstof uit alcoholen te versnellen. Het materiaal, een katalysator, is gemaakt van kleine clusters van nikkelmetaal verankerd op een 2D-substraat. Het team onder leiding van onderzoekers van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ontdekte dat de katalysator de reactie die waterstofatomen uit een vloeibare chemische drager verwijdert, schoon en efficiënt kan versnellen. Het materiaal is robuust en gemaakt van aardrijke metalen in plaats van bestaande opties gemaakt van edele metalen, en zal helpen om waterstof een levensvatbare energiebron te maken voor een breed scala aan toepassingen.

"We presenteren hier niet alleen een katalysator met een hogere activiteit dan andere nikkelkatalysatoren die we hebben getest, voor een belangrijke brandstof voor hernieuwbare energie, maar ook een bredere strategie voor het gebruik van betaalbare metalen in een breed scala aan reacties, " zei Jeff Urban, de directeur van de faciliteit voor anorganische nanostructuren bij de Molecular Foundry die het werk leidde. Het onderzoek maakt deel uit van het Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), een consortium gefinancierd door het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (EERE) van het Amerikaanse ministerie van Energie. Door deze inspanning, vijf nationale laboratoria werken aan het doel om de wetenschappelijke lacunes aan te pakken die de vooruitgang van vaste waterstofopslagmaterialen blokkeren. De resultaten van dit werk zullen rechtstreeks worden meegenomen in EERE's H2@Scale-visie voor betaalbare waterstofproductie, opslag, distributie en gebruik over meerdere sectoren in de economie.

Chemische verbindingen die werken als katalysatoren, zoals die ontwikkeld door Urban en zijn team, worden vaak gebruikt om de snelheid van een chemische reactie te verhogen zonder dat de verbinding zelf wordt verbruikt - ze kunnen een bepaald molecuul in een stabiele positie houden, of als intermediair dienen om een ​​belangrijke stap betrouwbaar af te ronden. Voor de chemische reactie die waterstof produceert uit vloeibare dragers, de meest effectieve katalysatoren zijn gemaakt van edele metalen. Echter, die katalysatoren worden geassocieerd met hoge kosten en een lage abundantie, en zijn vatbaar voor besmetting. Andere, minder dure katalysatoren, gemaakt van gewonere metalen, zijn meestal minder effectief en minder stabiel, die hun activiteit en hun praktische inzet in waterstofproductie-industrieën beperkt.

Om de prestaties en stabiliteit van deze aarde-overvloedige op metaal gebaseerde katalysatoren te verbeteren, Urban en zijn collega's hebben een strategie aangepast die zich richt op kleine, uniforme clusters van nikkelmetaal. Kleine clusters zijn belangrijk omdat ze de blootstelling van reactief oppervlak in een bepaalde hoeveelheid materiaal maximaliseren. Maar ze hebben ook de neiging om samen te klonteren, die hun reactiviteit remt.

Postdoctoraal onderzoeksassistent Zhuolei Zhang en projectwetenschapper Ji Su, zowel bij de Molecular Foundry als co-lead auteurs op het papier, ontwierp en voerde een experiment uit dat klontering tegenging door nikkelclusters met een diameter van 1,5 nanometer af te zetten op een 2D-substraat gemaakt van boor en stikstof, ontworpen om een ​​raster van kuiltjes op atomaire schaal te herbergen. De nikkelclusters werden gelijkmatig verspreid en stevig verankerd in de kuiltjes. Dit ontwerp voorkwam niet alleen klonteren, maar de thermische en chemische eigenschappen verbeterden de algehele prestaties van de katalysator aanzienlijk door directe interactie met de nikkelclusters.

"De rol van het onderliggende oppervlak tijdens de clustervorming en afzettingsfase is van cruciaal belang gebleken, en kan aanwijzingen geven om hun rol in andere processen te begrijpen", aldus Urban.

Gedetailleerde röntgen- en spectroscopiemetingen, gecombineerd met theoretische berekeningen, onthulde veel over de onderliggende oppervlakken en hun rol in katalyse. Met behulp van hulpmiddelen bij de geavanceerde lichtbron, een DOE-gebruikersfaciliteit bij Berkeley Lab, en computationele modelleringsmethoden, de onderzoekers identificeerden veranderingen in de fysische en chemische eigenschappen van de 2D-platen, terwijl zich kleine nikkelclusters vormden en zich daarop afzetten. Het team stelde voor dat het materiaal zich vormt terwijl metalen clusters ongerepte delen van de platen bezetten en interageren met nabijgelegen randen, waardoor de kleine omvang van de clusters behouden blijft. de kleine, stabiele clusters vergemakkelijkten de actie in de processen waardoor waterstof wordt gescheiden van zijn vloeibare drager, waardoor de katalysator een uitstekende selectiviteit heeft, productiviteit, en stabiele prestaties.

Berekeningen toonden aan dat de grootte van de katalysator de reden was dat zijn activiteit tot de beste behoorde in vergelijking met andere die recentelijk zijn gerapporteerd. David Prendergast, directeur van de Theory of Nanostructured Materials Facility bij de Molecular Foundry, samen met postdoctoraal onderzoeksassistent en co-hoofdauteur Ana Sanz-Matias, gebruikte modellen en rekenmethoden om de unieke geometrische en elektronische structuur van de kleine metalen clusters bloot te leggen. Kale metalen atomen, overvloedig op deze kleine clusters, trokken gemakkelijker de vloeibare drager aan dan grotere metaaldeeltjes. Deze blootgestelde atomen vergemakkelijkten ook de stappen van de chemische reactie die waterstof van de drager verwijdert, terwijl de vorming van verontreinigingen die het oppervlak van het cluster kunnen verstoppen, wordt voorkomen. Vandaar, het materiaal bleef vrij van vervuiling tijdens belangrijke stappen in de waterstofproductiereactie. Deze katalytische en anti-verontreinigingseigenschappen kwamen voort uit de onvolkomenheden die opzettelijk in de 2D-platen waren aangebracht en hielpen uiteindelijk om de clustergrootte klein te houden.

"Verontreiniging kan mogelijke niet-edele metaalkatalysatoren onrendabel maken. Ons platform hier opent een nieuwe deur naar de engineering van die systemen, ' zei Urbanus.

In hun katalysator bereikten de onderzoekers het doel om een ​​relatief goedkope, beschikbaar, and stable material that helps to strip hydrogen from liquid carriers for use as a fuel. This work came out of a DOE effort to develop hydrogen storage materials to meet the targets of EERE's Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office and to optimize the materials for future use in vehicles.

Future work by the Berkeley Lab team will further hone the strategy of modifying 2-D substrates in ways that support tiny metal clusters, to develop even more efficient catalysts. The technique could help to optimize the process of extracting hydrogen from liquid chemical carriers.