Ny katalysator overstråler platin til fremstilling af brint

Brint, det mest udbredte element i universet, giver et stærkt slag. Og fordi det ikke indeholder kulstof, det producerer kun vand, når det bruges som brændstof. Men på jorden, brint findes oftest i kombination med andre grundstoffer, hvilket betyder, at det skal udvindes.

At udnytte brints rene kraft til energianvendelser og andre formål, forskere ser på overkommelige måder at producere og opbevare brint på.

Ny forskning fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) viser, at et par ydmyge mineraler overstråler andre ædelmetalmaterialer, når det kommer til at producere brint. Med samarbejdspartnere fra Oregon State University (OSU), forskerne testede en molybdæn-phosphid (MoP) katalysator med spildevand i en lille reaktor kaldet en mikrobiel elektrolysecelle (MEC). Testresultater viste, at MoP fungerede bedre end platin, et ædelt og dyrt metal, der typisk bruges på grund af dets høje katalytiske ydeevne. MoP-katalysatoren producerede også brint fem gange så hurtigt som andre ikke-platinkatalysatorer rapporteret i relaterede undersøgelser.

Men den rigtige kicker? Deres katalysator fungerede også godt med havvand.

"Hvis du kan producere brint fra havvand, ressourcepuljen er stort set ubegrænset, " sagde Yuyan Shao, en materialeforsker ved PNNL, der ledede katalysatorforskningen.

Som havvand, MoP-katalysatormaterialet er bredt tilgængeligt, og derfor, billig. Katalysatoren arbejdede også med spildevand, en anden allestedsnærværende ressource.

Detaljer om holdets undersøgelse vises i journalen ACS katalyse . Resultaterne stammer fra et tre-årigt projekt finansieret af Department of Energy's Fuel Cell Technologies Office.

Et bedre alternativ

En af de mest almindelige metoder til fremstilling af brint er en proces kaldet elektrolyse. Denne proces kombinerer elektricitet med forskellige kemikalier, kaldet elektrolytter, og et fast katalysatormateriale. Den efterfølgende reaktion producerer brint, men hele processen bruger meget energi og dyre ressourcer som platin.

Fermentering ved hjælp af vedvarende kilder eller affaldsstrømme lover en overkommelig brintproduktion. Men gæringsprocessen fungerer langsomt, udbyttet er lavt, og produktstrømmen kræver dyr oprensning på grund af andre biprodukter fra fermentering. I MEC'er, en elektrisk strøm kobles med bakterier for at nedbryde organiske stoffer og lave brint. Desværre, cellerne bruger også dyrt platin til reaktionsoverfladen, og hvis der anvendes ikke-platinkatalysatorer, brintudbyttet forbliver lavt.

Hos OSU, forskere udviklede et hybrid MEC-design, hvor fermentering og elektrolyse finder sted i en enkelt gryde i modsætning til separate trin, og biprodukterne forbruges direkte i processen. Dette integrerede design øger produktiviteten og sænker udstyrsomkostningerne. Men med de høje omkostninger ved platin, holdet havde brug for en katalysator, der kunne sænke produktionsomkostningerne til omkring to dollars pr. kilogram brint.

Anden fase overraskelse

Bygger på tidligere opdagelser med MoP-katalysatoren, PNNL-forskere undersøgte katalysatoren til brug i MEC'er. Forskerholdet startede med MoP-kombinationen på grund af dens affinitet til at aktivere, eller adskillelse, vandmolekyler. Katalysatoren kan også indstilles - mængden af ​​hvert mineral kan justeres. Ifølge holdets hypotese, denne tuning ville optimere mængden af ​​brint produceret i en enkelt reaktion.

De havde til dels ret.

Under et kraftigt mikroskop, de fandt ud af, at katalysatoren blev samlet i en blanding af to forskellige krystalfaser - MoP og MoP ₂ . Atomstrukturen for hver fase var forskellig, fører til forskellige reaktioner. Mens MoP2 frigav brintatomer fra vandmolekylerne, MoP omdannede brintatomerne til brintgasmolekyler. De to aktive steder forstærkede den samlede reaktion.

"Vi forventede ikke den samtidige dannelse af de to krystalfaser, " sagde Shao. "De to faser fungerer langt bedre end den enkelte fase."

Forskerne kørte deres eksperimenter under neutrale pH-forhold i både hybridcellen ved OSU ved hjælp af spildevand og i en anden reaktor på PNNL ved hjælp af havvand, med ensartede resultater. Shao sagde, at disse resultater giver forskerne tillid til, at metoden er sund, eliminerer platin og andre biprodukter, og har et stort løfte om at fremme brint- og brændselscelleteknologier.