Lab udvikler dual-overflade grafenelektrode til at splitte vand i hydrogen og ilt

Rice University-kemikere har produceret en katalysator baseret på laserinduceret grafen, der deler vand i hydrogen på den ene side og ilt på den anden side. De sagde, at det billige materiale kan være en praktisk komponent i frembringelsen af ​​brint til brug i fremtidige brændselsceller.

Det let fremstillede materiale udviklet af Rice lab af kemiker James Tour tilbyder en robust og effektiv måde at lagre kemisk energi på. Test viste, at den tynde katalysator producerede store bobler af ilt og hydrogen på begge sider samtidigt.

Processen er genstand for et papir i American Chemical Society's Anvendte materialer og grænseflader .

"Brint fremstilles i øjeblikket ved at omdanne naturgas til en blanding af kuldioxid og hydrogengas, "Tour sagde." Så for hver to brintmolekyler, der dannes et molekyle af kuldioxid, gør denne traditionelle proces til en drivhusgasemitter.

"Men hvis man deler vand op i brint og ilt, ved hjælp af et katalytisk system og elektricitet fra vind- eller solenergi, så er det tilvejebragte brint helt fornyeligt, "sagde han." Engang brugt i en brændselscelle, det vender tilbage til vand uden andre emissioner. Og brændselsceller er ofte dobbelt så effektive som forbrændingsmotorer, yderligere energibesparelse. "

Katalysatoren er en anden anvendelse til alsidig laserinduceret grafen (LIG), som Rice introducerede i 2014. LIG fremstilles ved behandling af overfladen af ​​et ark polyimid, en billig plastik, med en laser. Frem for et fladt ark med sekskantede carbonatomer, LIG er et skum af grafenplader med en kant fastgjort til den underliggende overflade og kemisk aktive kanter udsat for luften.

LIG selv er inert, så det gør et par trin mere at gøre det til en vandkløver. Først, laboratoriet imprægnerede den side af plasten, der er bestemt til at trække brint fra vand med platinpartikler; derefter brugte laboratoriet en laser til at opvarme overfladen og lave LIG. Rismaterialet bruger kun en fjerdedel af den platin, der findes i kommercielle katalysatorer, sagde Jibo Zhang, en ris -kandidatstuderende og hovedforfatter af papiret.

Den anden side, for iltudvikling, blev først omdannet til LIG og derefter forbedret med nikkel og jern gennem elektrokemisk aflejring. Begge sider viste lave startpotentialer (spændingen nødvendig for at starte en reaktion) og stærk ydeevne over 1, 000 cykler.

Laboratoriet kom med en anden variation:at gøre polyimidet til en LIG-katalysator med kobolt og fosfor, der kunne erstatte enten platin- eller nikkel-jern-siderne til at producere brint eller ilt. Mens billige materialer gavner ved at eliminere dyre ædelmetaller, det ofrer en vis effektivitet i brintproduktion, Tour sagde.

Når den er konfigureret med kobolt-fosfor til hydrogenudvikling og nikkel-jern til ilt, katalysatoren leverede en strømtæthed på 10 milliampere pr. kvadratcentimeter ved 1,66 volt. Det kan øges til 400 milliampere pr. Kvadratcentimeter ved 1,9 volt uden at forringe materialet. Den nuværende tæthed styrer hastigheden af ​​den kemiske reaktion.

Tour sagde, at forbedret LIG tilbyder vandspaltende ydeevne, der er sammenlignelig og ofte bedre end mange nuværende systemer, med en fordel i sin iboende separator mellem ilt- og brintprodukter. Han bemærkede, at det kan have stor værdi som en måde at kemisk lagre energi fra fjerntliggende sol- eller vindkraftværker, der ellers ville gå tabt i transmissionen.

Materialet kan også tjene som grundlag for effektive elektrokatalyseplatforme til kuldioxid- eller iltreduktion, han sagde.