En overlegen, lavpris katalysator til vandspaltning

I et væsentligt skridt mod storstilet brintproduktion, forskere ved Indian Institute of Science (IISc) har udviklet en billig katalysator, der kan fremskynde spaltningen af ​​vand for at producere hydrogengas.

Spaltning af vand ved hjælp af elektricitet er en meget udforsket metode til at generere brintgas, en længe efterspurgt ren strømkilde til brændselsceller, batterier og nulemissionskøretøjer. En af to store reaktioner involveret i denne proces - kaldet Oxygen Evolution Reaction - er notorisk langsom, begrænser den samlede effektivitet. Forskere har fokuseret på at udvikle bedre katalysatorer - materialer, der kan fremskynde reaktionen, mens de forbliver neutrale. De mest effektive katalysatorer i dag er lavet af ædle metaller som ruthenium og platin, som både er dyre og sjældne.

Et IISc-team har nu udviklet en billig katalysator ved at kombinere koboltoxid med fosfatsalte af natrium. Materialeomkostningerne er over to hundrede gange billigere end den nuværende avancerede rutheniumdioxidkatalysator, og reaktionshastigheden er også hurtigere, siger Ritambhara Gond, Ph.d.-studerende ved Materials Research Center (MRC), IISc, hvem er den første forfatter til papiret, der blev offentliggjort i Angewandte Chemie .

"Dette materiale kan være meget nyttigt til store applikationer i mange enheder såsom metal-luft-batterier, brændstofceller, etc., " hun siger.

Undersøgelsen blev ledet af Prabeer Barpanda, Adjunkt ved MRC, IISc, og udført i samarbejde med forskere ved Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research (JNCASR).

Når vandet spaltes ved hjælp af elektricitet i nærværelse af en katalysator, brintatomer modtager elektroner fra en elektrode for at danne brintgas, mens ved den modsatte elektrode, iltgas frigives (Oxygen Evolution Reaction). Forskere har i høj grad fokuseret på at fremskynde sidstnævnte reaktion. Katalysatorer fremstillet af platin eller rutheniummetaller er de mest effektive til dette, da de spilder mindst energi, og reaktionshastighederne er højere. Deres omkostninger og mangel, imidlertid, hindrer deres anvendelse i stor skala.

At udvikle billige alternativer, IISc -teamet vendte sig til salte kaldet metafosfater, som tidligere er blevet testet til energilagringsapplikationer, men ikke til katalyse. Forskerne ristede natriummetaphosphat og cobaltoxid i nærværelse af argongas i en ovn uden ilt. Dette skabte et "ark" af delvist brændt carbon, hvorpå krystaller fremstillet af koboltoxid indrammet af natriummetaphosphat blev spredt ud.

"Metaphosphaterne danner en stærk ramme og holder disse koboltoxider intakte, viser høj stabilitet efter den katalytiske aktivitet, "siger Gond. Dette ville gøre det muligt for katalysatoren at beholde sin aktivitet over flere cyklusser, fører til langtidsholdbarhed. Tilstedeværelsen af ​​kulstoflejet øgede også katalysatorens ledningsevne, og derfor dens effektivitet, hun siger.

Sammenlignet med andre katalysatorer, forskerne fandt ud af, at strømtætheden - et mål for hvor hurtigt reaktionen kan ske - var højere for deres katalysator end selv rutheniumdioxid, hvilket indikerer overlegen katalytisk aktivitet.

"Vi planlægger nu at teste denne katalysator i metal-luft-batterier og vandopdelere, " siger Gond.