Ny, meget stabil katalysator kan hjælpe med at omdanne vand til brændstof

At bryde bindingerne mellem ilt og brint i vand kan være en nøgle til skabelsen af ​​brint på en bæredygtig måde, men det har vist sig svært at finde en økonomisk bæredygtig teknik til dette. Forskere rapporterer om en ny brint-genererende katalysator, der fjerner mange af forhindringerne - overflod, stabilitet under sure forhold og effektivitet.

I journalen Angewandte Chemie , forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign rapporterer om et elektrokatalytisk materiale fremstillet ved at blande metalforbindelser med stof kaldet perchlorsyre.

Elektrolysatorer bruger elektricitet til at bryde vandmolekyler til ilt og brint. De mest effektive af disse enheder bruger ætsende syrer og elektrodematerialer lavet af metalforbindelserne iridiumoxid eller rutheniumoxid. Iridiumoxid er den mest stabile af de to, men iridium er et af de mindst udbredte grundstoffer på Jorden, så forskere er på jagt efter et alternativt materiale.

"Meget af det tidligere arbejde blev udført med elektrolysatorer lavet af kun to elementer - et metal og oxygen, " sagde Hong Yang, en medforfatter og professor i kemisk og biomolekylær teknik ved Illinois. "I en nylig undersøgelse, vi fandt ud af, om en forbindelse har to metalelementer - yttrium og ruthenium - og oxygen, hastigheden af ​​vandspaltningsreaktionen steg."

Yao Qin, en medforfatter og tidligere medlem af Yangs gruppe, eksperimenterede først med proceduren til fremstilling af dette nye materiale ved at bruge forskellige syrer og opvarmningstemperaturer for at øge hastigheden af ​​vandspaltningsreaktionen.

Forskerne fandt ud af, at når de brugte perchlorsyre som katalysator og lod blandingen reagere under varme, den fysiske natur af yttriumruthenatproduktet ændrede sig.

"Materialet blev mere porøst og havde også en ny krystallinsk struktur, anderledes end alle de solide katalysatorer, vi lavede før, " sagde Jaemin Kim, hovedforfatteren og en postdoc-forsker. Det nye porøse materiale, som holdet udviklede - et pyrochloroxid af yttriumruthenat - kan spalte vandmolekyler med en højere hastighed end den nuværende industristandard.

"På grund af den øgede aktivitet, det fremmer, en porøs struktur er yderst ønskelig, når det kommer til elektrokatalysatorer, " sagde Yang. "Disse porer kan fremstilles syntetisk med nanometer-store skabeloner og stoffer til fremstilling af keramik; imidlertid, de kan ikke holde til under de høje temperaturforhold, der er nødvendige for at lave faste katalysatorer af høj kvalitet."

Yang og hans team så på strukturen af ​​deres nye materiale med et elektronmikroskop og fandt ud af, at det er fire gange mere porøst end det originale yttriumruthenat, de udviklede i en tidligere undersøgelse. og tre gange højere end de iridium- og rutheniumoxider, der anvendes kommercielt.

"Det var overraskende at opdage, at den syre, vi valgte som katalysator for denne reaktion, viste sig at forbedre strukturen af ​​det materiale, der blev brugt til elektroderne, " sagde Yang. "Denne erkendelse var tilfældig og ret værdifuld for os."

De næste skridt for gruppen er at fremstille en enhed i laboratorieskala til yderligere test og at fortsætte med at forbedre den porøse elektrodestabilitet i sure miljøer, sagde Yang.

"Stabilitet af elektroderne i syre vil altid være et problem, men vi føler, at vi har fundet på noget nyt og anderledes sammenlignet med andet arbejde på dette område, " sagde Yang. "Denne type forskning vil være ret virkningsfuld med hensyn til brintgenerering til bæredygtig energi i fremtiden."

Kandidatstuderende Pei-Chieh Shih, Zaid Al-Bardanand og Argonne National Laboratory-forsker Cheng-Jun Sun bidrog også til denne forskning.