Materiale til at hjælpe med overgangen til rent brintbrændstof

Planters evne til at høste sollys og spalte vand til brint og ilt gennem fotosyntese har længe fascineret videnskabsmænd, som har forsøgt at replikere processen for at opfange brint som en vedvarende og bæredygtig brændstofkilde.

På trods af sit løfte, bred brug af brint er begrænset af omkostninger og effektivitet i dets udvindingsprocesser, som kræver en energitilførsel for at vende reaktionen, der kombinerer ilt og brint i første omgang.

En metode er elektrolyse, hvor der tilføres en elektrisk strøm til vand ved at indsætte to elektroder og den kemiske binding mellem brint- og oxygenatomerne brydes.

Dette frigiver brinten som en gas, der kan opfanges og omdannes til elektrisk energi i en brændselscelle, hvor de eneste biprodukter fra brugen er varme og vand.

Udfordringen for forskere er at finde en katalysator til at drive elektrolyse, som kræver mindre energi, end der opnås fra den resulterende brint.

Det komplicerede er, at de materialer, der bruges til elektrolyse, begynder at korrodere, når der påføres en strøm, kræver brug af ædelmetaller, såsom platin, guld eller sølv.

Disse er dyre og sjældne metaller, der typisk bruges i elektronik, medicin og som katalysatorer for kemisk reaktion.

Katalytiske udfordringer

Dr. Yi Du, en seniorforsker ved University of Wollongong's Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM), sagde, at den største udfordring ved vandopdeling i industriel skala er at finde meget effektiv, billige og jordrige elektrokatalysatorer, som kan sænke den nødvendige spænding for at spalte vand til brint.

"Vand er en ren kilde, der kan opnås bæredygtigt, hvilket gør det til en attraktiv og lovende erstatning for flydende gas, hvis vi kan sænke den krævede energi til at spalte vand, " sagde Dr. Du.

"Generelt sagt, der er få elektrokatalysatorer til at gøre brintproduktion omkostningseffektiv nok til brug i kommerciel skala."

Dr. Du's team hos ISEM, i et samarbejde med forskere ved Beihang University i Kina, har fremstillet en højtydende elektrokatalysator ved hjælp af et billigt metal, der har vist sig egnet til brug i vandspaltning.

Titaniumoxider er et rigeligt råmateriale, der almindeligvis findes som et hvidt pulver i malme, sand og jord, og bruges ofte som pigmenter i produkter som solcreme, kosmetik, maling og klæbemidler, blandt andre anvendelser.

Mens titanium har fremragende korrosionsbestandighed og elektrisk ledningsevne, i sin oxid er det en isolator, og forskere har længe ment, at det ikke er egnet til brug som elektrokatalysator.

Dr. Du's team var i stand til at tage en enkelt krystal af titaniumoxid og i et vakuumkammer, fjern alle iltatomer fra overfladen, efterlader en ledende, holdbart og effektivt katalysatormateriale, der er billigt og nemt at fremstille

"Sammenlignet med en traditionel katalysator, det ledende titaniumoxid kræver meget lidt energitilførsel til at drive elektrolysevandspaltningsprocessen, " sagde Dr. Du.

"Ved at introducere et stort antal ilttomheder i overfladen af ​​materialet kan vi optimere dets fysiske og kemiske egenskaber til at være aktive til vandspaltning.

"Vi har demonstreret, at en række jordrige, billige og kemisk stabile materialer baseret på titanium er lovende elektrokatalysatorer til vandspaltning, hvilket i høj grad kan reducere omkostningerne ved denne teknik og fremskynde anvendelsen i stor skala."

Nulemissionsenergipotentiale

Hvis den elektriske energi til at drive reaktionen også stammer fra vedvarende energi, processen har potentiale til at være tæt på energineutral.

"Der er en del applikationer til at bruge dette brændstof, måske den mest lovende anvendelse er storstilet vandopdeling til kraftfabrikker, der har høje energibehov, " sagde Dr. Du.

Brint kan omdannes til elektrisk energi gennem brændselsceller, der kan fungere kontinuerligt i nærvær af brint og ilt.

"Brug af solceller til at høste energi til at drive processen er også en lovende måde at producere brint bæredygtigt med nul-emissioner til brug i transport via brintbrændselscellekøretøjer."

Mens man griber haveslangen for at brænde bilen, kan det virke som science fiction, Dr. Du sagde, at de grundlæggende udfordringer på produktionssiden af ​​brintligningen var omkostninger og effektivitet.

"Den største udfordring er stadig prisen på katalysatoren. Derfor har vi brug for en effektiv og billig katalysator, som effektivt kan omdanne vand til brint."

Værket blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet ACS katalyse og er baseret på samarbejde med Beihang University via Beihang-UOW Joint Research Centre.