Forskere producerer robust katalysator til at spalte vand til brint, ilt

Opdeling af vand i brint og ilt for at producere ren energi kan forenkles med en enkelt katalysator udviklet af forskere ved Rice University og University of Houston.

Den elektrolytiske film produceret hos Rice og testet i Houston er en trelagsstruktur af nikkel, grafen og en forbindelse af jern, mangan og fosfor. Det skumagtige nikkel giver filmen en stor overflade, den ledende grafen beskytter nikkelen mod nedbrydning, og metalphosphidet udfører reaktionen.

Det robuste materiale er genstand for et papir i Nano energi .

Riskemiker Kenton Whitmire og Houstons elektriske og computeringeniør Jiming Bao og deres laboratorier udviklede filmen for at overvinde barrierer, der normalt gør en katalysator god til at producere enten ilt eller brint. men ikke begge dele samtidigt.

"Regulære metaller oxiderer nogle gange under katalyse, " sagde Whitmire. "Normalt, en hydrogenudviklingsreaktion udføres i syre og en oxygenudviklingsreaktion udføres i base. Vi har et materiale, der er stabilt, uanset om det er i en sur eller basisk opløsning."

Opdagelsen bygger på forskernes skabelse af en simpel iltudviklingskatalysator, som blev afsløret tidligere på året. I det arbejde, holdet dyrkede en katalysator direkte på et halvledende nanorod-array, der forvandlede sollys til energi til solvandsspaltning.

Elektrokatalyse kræver to katalysatorer, en katode og en anode. Når den placeres i vand og oplades, hydrogen vil dannes ved den ene elektrode og ilt ved den anden, og disse gasser fanges. Men processen kræver generelt dyre metaller for at fungere lige så effektivt som Rice-teamets katalysator.

"Standarden for brintudvikling er platin, " sagde Whitmire. "Vi bruger jordrige materialer - jern, mangan og fosfor - i modsætning til ædle metaller, der er meget dyrere."

Den nye katalysator kræver også mindre energi, sagde Whitmire. "Hvis du vil lave brint og ilt, du skal lægge energi, og jo mere du sætter ind, jo mindre kommercielt levedygtigt er det, " sagde han. "Du vil gøre det med den mindst mulige mængde energi. Det er en fordel ved vores materiale:Overpotentialet (den mængde energi, der kræves for at udløse elektrokatalyse) er lille, og ret konkurrencedygtig med andre materialer. Jo lavere du kan få det, jo tættere du kommer på at gøre det så effektivt som muligt til vandspaltning."

grafen, den atomtykke form af kulstof, er nøglen til at beskytte det underliggende nikkel. Et til tre lag grafen dannes på nikkelskummet i en kemisk dampaflejringsovn (CVD), og jernet, mangan og fosfor tilsættes oveni, også via CVD og fra en enkelt precursor.

Test fra Baos laboratorium sammenlignede nikkelskum og fosfidet både med og uden grafen i midten og fandt, at den ledende grafen sænkede ladningsoverførselsmodstanden for både hydrogen- og oxygenreaktioner.

"Nikkel er en af ​​de bedste katalysatorer til fremstilling af grafen, " sagde co-lead forfatter Desmond Schipper, en ris kandidatstuderende. "I bund og grund, vi bruger nikkel til at hjælpe med at forbedre nikkel." Han sagde, at manganet også tilføjer et niveau af beskyttelse.

Whitmire sagde, at materialet er skalerbart og bør finde anvendelse i industrier, der producerer brint og ilt eller af sol- og vinddrevne faciliteter, der kan bruge elektrokatalyse til at lagre energi uden for spidsbelastning.

Det kan også tilpasses til at producere andre avancerede materialer. "Vores metode kan være vidt anvendelig til et stort antal metalphosphidmaterialer til katalysatorer - ikke kun til vandspaltning, men for en række ting, " han sagde.

"En kritisk faktor er, at vi er i stand til at lave faserene materialer med forskellige sammensætninger. I øjeblikket, folk har meget lidt kontrol over den fase, de får på en overflade, og i mange tilfælde får de en blanding. Når det sker, de ved ikke, hvilken fase der faktisk er ansvarlig for katalysen. Med vores proces, de kan vide."