Ny katalysator tilbyder en mere overkommelig måde at producere brint fra havvand på

Brint har i de senere år vakt opmærksomhed som en potentiel kilde til ren energi, fordi det brænder uden at producere klimaskadelige emissioner. Men traditionelle brintproduktionsmetoder har et betydeligt CO2-fodaftryk, og renere metoder er dyre og teknisk komplekse.

Nu rapporterer forskere om et betydeligt fremskridt, en to-elektrode katalysator, der er afhængig af en forbindelse til effektivt at producere brint og oxygen fra både havvand og ferskvand. Tidligere forsøg på sådanne bifunktionelle katalysatorer til at spalte vand i hydrogen og oxygen har generelt resulteret i dårlig ydeevne i en af ​​de to funktioner. Brug af to separate katalysatorer virker, men øger katalysatorernes fremstillingsomkostninger.

I arbejde beskrevet i Energi- og miljøvidenskab , rapporterer forskere fra University of Houston, det kinesiske universitet i Hong Kong og Central China Normal University, at de bruger en nikkel/molybdæn/nitrogen-forbindelse, justeret med en lille mængde jern og dyrket på nikkelskum for effektivt at producere brint og derefter gennem en proces med elektrokemisk rekonstruktion udløst af cyklisk spænding, omdannet til en forbindelse, der producerede en tilsvarende kraftig oxygenudviklingsreaktion.

Forskerne sagde, at brugen af ​​en enkelt forbindelse til både hydrogenudviklingsreaktionen (HER) og oxygenudviklingsreaktionen (OER) - omend en smule ændret gennem genopbygningsprocessen - ikke kun gør vandspaltning mere overkommelig, det forenkler også de tekniske udfordringer.

De fleste materialer er bedst egnede til enten HER eller OER, men begge reaktioner er nødvendige for at fuldføre den kemiske reaktion og producere brint fra vand. Zhifeng Ren, direktør for Texas Center for Superconductivity ved UH og en tilsvarende forfatter til papiret, sagde, at den nye katalysator ikke kun muliggør effektive operationer med en enkelt katalysator, men fungerer også lige godt i havvand og ferskvand. "Sammenlignet med eksisterende katalysatorer er dette på niveau med det bedste, der nogensinde er rapporteret," sagde han.

Ved at bruge alkalisk havvand og arbejde under kvasi-industrielle forhold leverede katalysatoren en strømtæthed på 1.000 milliampere/kvadratcentimeter ved brug af kun 1,56 volt i havvand, og forblev stabil i 80 timers test.

Katalysatorens stærke ydeevne i havvand kunne løse et problem:De fleste tilgængelige katalysatorer fungerer bedst i ferskvand. Spaltning af havvand er mere kompliceret, delvist på grund af korrosion forbundet med saltet og andre mineraler. Ren, som også er M.D. Anderson Chair Professor of Physics ved UH, sagde, at den nye katalysator også genererer ren oxygen og undgår det potentielle biprodukt af ætsende klorgas produceret af nogle katalysatorer.

Men forsyningerne af ferskvand begrænses i stigende grad af tørke og befolkningstilvækst. Havvand er derimod rigeligt. "Normalt, selvom en katalysator virker til saltvand, kræver den et højere energiforbrug," sagde Ren. "I dette tilfælde er det meget gode nyheder at kræve næsten det samme energiforbrug som ferskvand."

Shuo Chen, lektor i fysik ved UH og co-korresponderende forfatter på papiret, sagde, at katalysatorens rapporterede stærke strømtæthed ved en relativt lav spænding sænker energiomkostningerne ved at producere brint. Men det er kun én måde, hvorpå katalysatoren adresserer overkommelighed, sagde Chen, som også er hovedefterforsker hos TcSUH.

Ved at bruge ét materiale - den jerntweakede nikkel/molybdæn/nitrogenforbindelse - til HER og derefter bruge cyklusspænding til at udløse en elektrokemisk rekonstruktion for at producere et lidt anderledes materiale, et jernoxid/molybdæn/nikkeloxid, til OER, forskere eliminerer behovet for en anden katalysator, mens de også forenkler tekniske krav, sagde Chen.

"Hvis du laver en enhed med to forskellige materialer på to elektroder, skal du finde ud af, hvordan den elektriske ladning kan strømme gennem hver elektrode og designe strukturen, så den passer til det," sagde hun. "I dette tilfælde er materialet ikke helt det samme, fordi den ene (elektrode) gennemgår elektrokemisk rekonstruktion, men det er et meget lignende materiale, så konstruktionen er lettere."

Ud over Ren og Chen omfatter forskere på papiret Minghui Ning, Fanghao Zhang, Libo Wu, Xinxin Xing, Dezhi Wang, Shaowei Song og Jiming Bao, alle med UH; Qiancheng Zhou fra Central China Normal University; og Luo Yu fra det kinesiske universitet i Hong Kong. + Udforsk yderligere

Ny katalysator producerer effektivt brint fra havvand