At finde den rigtige balance for katalysatorer i hydrogenudviklingsreaktionen

Hydrogen produceret af vand ved hydrogenudviklingsreaktionen er en attraktiv ren brændstofkilde. Produktion af brint i stor skala til lave omkostninger er nødvendig for at realisere dets levedygtighed som en alternativ energikilde til fossile brændstoffer. For at nå dette mål, holdbar, billige katalysatorer er påkrævet. De fleste nuværende katalysatorer baseret på ikke-ædle metaller lider af ustabilitet i de sure opløsninger, der dannes under hydrogenudvikling. Imidlertid, simpelthen beskyttelse af katalysatoren mod den sure opløsning har en tendens til at sænke dens aktivitet.

Et samarbejde ledet af University of Tsukuba har for nylig optimeret en tilgang til at øge stabiliteten af ​​katalysatorer, der anvendes i brintudviklingsreaktionen uden markant at ofre aktivitet. Teamet fandt ud af, at belægning af katalysator -nanopartikler med et optimalt antal lag af grafen - et lag carbonatomer organiseret i et bikagegitter med høj ledningsevne og mekanisk styrke - øgede nanopartiklernes holdbarhed, samtidig med at nanopartiklerne bevarede deres katalytiske aktivitet. Undersøgelsen blev rapporteret i ACS Energy Letters.

"Vi optimerede balancen mellem antallet af grafenlag, der dækker nanopartiklerne, og deres katalytiske aktivitet, "siger første forfatter Kailong Hu." For at gøre dette, vi måtte præcist kontrollere antallet af grafenlag, der dækker nanopartiklerne, som vi opnåede ved omhyggeligt at regulere deponeringstiden for grafen på nanopartiklerne. "

En serie nanopartikelprøver belagt med forskellige antal grafenlag blev fremstillet, karakteriseret, og derefter blev deres katalytiske aktivitet i hydrogenudviklingsreaktionen bestemt. Katalysator nanopartikler belagt med det optimale antal grafenlag, som kun var tre til fem lag, viste lignende aktivitet i hydrogenudviklingsreaktionen som den for en dyr platinbaseret katalysator. Vigtigere, disse nanopartikler udviste også høj stabilitet; grafenbelægningen forhindrede metalnanopartiklerne i at opløses i den sure reaktionsopløsning.

Forskerne gennemførte teoretiske beregninger for at understøtte deres eksperimentelle fund. Resultaterne bekræftede forholdet mellem antallet af grafenlag, kemisk stabilitet, og katalytisk aktivitet af nanopartiklerne angivet ved eksperimentelle data. Det er, nanopartikler overtrukket med mindre end tre grafenlag udviste højere katalytisk aktivitet end dem belagt med tre til fem lag, men dette kom på bekostning af holdbarhed; førstnævnte viste dårligere kemisk stabilitet end sidstnævnte.

"Vores resultater baner vejen for rationelt design af stabile, billige katalysatorer til storskalig brintproduktion på brintstationer ved hjælp af polymerelektrolytmembranelektrolyse på stedet under sure betingelser, "forklarer medforfatter Yoshikazu Ito.

Teamets resultater bringer os et skridt tættere på realiseringen af ​​en ren bæredygtig fremtid ved hjælp af brint som brændstofkilde.