Molybdæn-belagt katalysator spalter vand til brintproduktion mere effektivt

Brint er et af de mest lovende rene brændstoffer til brug i biler, huse og bærbare generatorer. Når det produceres af vand ved hjælp af vedvarende energiressourcer, det er også et bæredygtigt brændstof uden CO2-fodaftryk.

Imidlertid, vandspaltesystemer kræver en meget effektiv katalysator for at fremskynde den kemiske reaktion, der spalter vand til brint og oxygen, og samtidig forhindrer gasserne i at rekombinere tilbage til vand. Nu et internationalt forskerhold, herunder forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, har udviklet en ny katalysator med en molybdænbelægning, der forhindrer denne problematiske tilbagereaktion og fungerer godt under realistiske driftsforhold.

En vigtig del af udviklingen var centreret om at forstå, hvordan molybdænbelægningen fungerede ved hjælp af eksperimenter hos SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Forskerne rapporterede deres resultater 13. april i Angewandte Chemie .

"Når du deler vand i brint og ilt, de gasformige produkter af reaktionen rekombineres let tilbage til vand, og det er afgørende at undgå dette, " sagde Angel Garcia-Esparza, hovedforfatter og i øjeblikket postdoc-forsker fra Ecole Normale Supérieure de Lyon. "Vi opdagede, at en molybdæn-coated katalysator er i stand til selektivt at producere brint fra vand, mens den hæmmer tilbagereaktionerne af vanddannelse."

Eksperimenterne viste, at deres molybdænbelægningsstrategi kan anvendes i elektrokatalyse og fotokatalyseapparater, tilføjet Garcia-Esparza. Disse er enheder, der hjælper med at fremdrive en reaktion ved hjælp af elektricitet eller lys.

Søger efter stabilitet

Garcia-Esparza hjalp med at udvikle den nye katalysator som kandidatstuderende ved King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudi-Arabien under ledelse af Kazuhiro Takanabe, lektor i kemividenskab ved KAUST. Takanabes forskningsgruppe udforskede stabiliteten, ydeevne og funktion af mange forskellige grundstoffer, før man vælger molybdæn som belægning til en standard platinbaseret katalysator.

"At finde en belægning, der fungerede godt i den sure elektrolyt, der blev brugt til vandspaltning, var en stor udfordring for mine samarbejdspartnere, fordi mange materialer hurtigt nedbrydes under de sure forhold, " sagde medforfatter Dimosthenis Sokaras, en stabsforsker ved SLAC.

Af de belægninger, de testede, "Molybdæn var det bedst ydende materiale i sure medier, hvor betingelserne for brintudvikling er gunstige og lette, Garcia-Esparza forklarede.

Test af ydeevnen

En anden stor udfordring var at finde en måde at måle egenskaberne af deres molybdæn-coatede katalysator, fordi disse molybdænforbindelser ikke er stabile, når de udsættes for luft. "At tage katalysatoren op af vandet forstyrrer materialets identitet, " sagde Garcia-Esparza. "Derfor, det var nødvendigt at studere elektrokatalysatoren under arbejdsforhold, hvilket er svært."

Så Garcia-Esparza brugte en sommer på at udføre elektrokemiske eksperimenter på SSRL for at karakterisere den nye katalysator under driftsforhold. "Idéen var at arbejde sammen for at se, hvordan den molybdænbelagte katalysator fungerede og bestemme dens elektroniske struktur, når den var i drift, " sagde Sokaras. "Vi ønskede at forstå, hvorfor rygreaktionen ikke sker."

De testede en bar platinkatalysator, med og uden molybdænbelægning, under vandelektrolyse på SSRL, ved hjælp af in operando røntgenabsorptionsspektroskopi med en specialfremstillet elektrokemisk celle. "Hos SSRL, vi var i det væsentlige i stand til at lave elektrokemi, mens vi analyserede prøven med synkrotronstråling, Garcia-Esparza sagde. "Eksperimenterne udført på SLAC var den sidste brik i puslespillet for at bestemme den lokale struktur og tilstand af elektrokatalysatoren under de operationelle betingelser for brintproduktion."

"Vores resultater understøtter, at molybdænlaget fungerer som en membran til at blokere ilt- og brintgasserne i at nå nær platinoverfladen, som forhindrer vanddannelse, " sagde Sokaras.

Ud over, forskerholdet udforskede fotokatalyseapplikationer. De byggede et fotokatalytisk vandopdelingssystem ved at bruge enten en standardkatalysator af platin på strontiumtitaniumoxid (Pt/SrTiO3) eller den samme katalysator belagt med molybdæn. Begge systemer blev testet på KAUST med lysene tændt og slukket - dvs. med og uden en energikilde, der driver vandspaltningsreaktionen.

Da lyset var tændt, standard Pt/SrTiO3-katalysatoren øgede brintproduktionen i kun seks timer, fordi systemet mistede effektivitet på grund af tilbagereaktionen. Da lyset derefter blev slukket, mængden af ​​brint faldt med tiden - hvilket bekræftede, at betydelige mængder af gasserne rekombinerede for at danne vand.

I modsætning, den molybdænbelagte katalysator spalter kontinuerligt vand for at generere stigende mængder brintgas i 24 timer, producerer omkring dobbelt så meget brintgas som standardkatalysatoren på én dag. Ud over, mængden af ​​brint forblev stabil i mørke, bekræfter, at belægningen hæmmede vanddannelse

Disse resultater er lovende, men der skal stadig gøres mere arbejde, før katalysatoren kan bruges i en praktisk enhed. Sokaras sagde, "Jeg tror, ​​vi er langt fra faktisk at tale om en kommerciel enhed, men det er bestemt en kæmpe forbedring at have dette nye katalysatormateriale, der forhindrer tilbagereaktionen. Nu skal vi finde en måde at gøre belægningen mere stabil, så den producerer brint i endnu længere tid."