Forskere identificerer nye katalysatorer til mere effektiv vandopdeling

Et team af forskere ledet af Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har opdaget de parametre, der bestemmer effektiviteten af ​​en klasse af billige katalysatorer kaldet spineloxider - en opdagelse, der bryder en flaskehals i udvindingen af ​​brint fra vand gennem elektrolyse, processen med at spalte vand med elektricitet.

En stor udfordring ved denne proces ligger i energitabet, da de kemiske reaktioner involveret i vandelektrolyse finder sted, øge omkostningerne ved at producere brint gennem denne metode. Katalysatorer er derfor nødvendige for at fremskynde disse kemiske reaktioner.

Spineloxider, som typisk er lavet af billige overgangsmetaller, har høstet interesse i de senere år som stald, lavpriskatalysator, der kunne overvinde denne udfordring, men designet af højtydende spineloxider er blevet hæmmet af den manglende forståelse af, hvordan de virker.

Nu, NTU Singapores lektor Jason Xu Zhichuan og hans team har gjort to vigtige fremskridt. De har optrevlet, på atomær skala, hvordan spineloxider virker for at fremskynde vandelektrolyse. Begyndt med den nye forståelse, holdet brugte derefter maskinlæring til at vælge nye spineloxider med øget katalytisk aktivitet, gør vandelektrolyse mere effektiv.

Disse resultater bringer holdet et skridt tættere på at gøre vandopdeling til en passende tilgang til storskala fremstilling af brintgas, som er blevet fremhævet af Energy Market Authority som et muligt kulstoffattigt alternativ til at reducere Singapores CO2-fodaftryk, da det har som mål at halvere sit maksimale drivhusgasemissioner inden 2050. Dette er i overensstemmelse med globale tendenser – Den Europæiske Union, for eksempel, afslørede for nylig sin brintstrategi som en vigtig del af løsningen for at opfylde 2050-målet om klimaneutralitet i den europæiske grønne aftale.

Lektor Xu fra NTU School of Materials Sciences and Engineering sagde:"For at forbedre ydeevnen af ​​spineloxider, vi har brug for en dybere forståelse af, hvordan de fungerer som katalysatorer for at gøre vandelektrolyse mere effektiv. Nu, ved at identificere de parametre, der gør spineloxider til gode katalysatorer for denne proces, vi kan skabe nye, bedre spineloxider baseret på disse parametre, bringer os et skridt tættere på en brintdrevet økonomi."

Resultaterne blev offentliggjort i et videnskabeligt tidsskrift Naturkatalyse i juli.

Et skridt nærmere en brintdrevet økonomi

Udvinding af brint fra vandelektrolyse, når den drives af vedvarende energikilder såsom vind- eller solenergi, er en attraktiv tilgang til at producere brintbrændstof, som har potentiale til at erstatte fossile brændstoffer, der bruges i kraftværker, transportere, og bunkringsprocessen.

Brint er også attraktivt som et levedygtigt alternativ til traditionelle energilagringsmuligheder såsom lithium-ion-batterier, som gradvist mister deres ladning over tid.

Vandelektrolyseprocessen foregår i en elektrolysator, hvor to hovedkemiske reaktioner finder sted, når vand spaltes:den ene resulterer i brintproduktion, mens den anden fører til iltproduktion, og de to gasser holdes adskilt af en membran.

Associate Prof Xu, som også er en del af NTU's Energiforskningsinstitut, sagde, at hovedflaskehalsen ligger i den kemiske reaktion, der fører til iltgenerering fra den anden side kendt som oxygenrevolutionsreaktionen.

Han sagde:"Oiltudviklingsreaktionen er afgørende for effektiviteten af ​​enheder, der spalter vand for at producere brintbrændstof, men det er også en træg kemisk reaktion, der sænker den samlede energiomdannelseseffektivitet. Det er derfor, vi har brug for katalysatorer såsom metaloxider for at fremskynde tingene."

Selvom ædelmetaloxider har vist sig at være avancerede katalysatorer, der reducerer energiforbruget og forbedrer energiomdannelseseffektiviteten, deres knaphed, høje omkostninger og dårlig holdbarhed har begrænset deres anvendelse i stor skala.

Spineloxider, med deres lave omkostninger og tilgængelighed i overflod, kunne blive et levedygtigt alternativ, hvis de blev designet med de rigtige parametre, såsom typen af ​​overgangsmetal i spineloxidet, at øge den katalytiske aktivitet, sagde Assoc Prof Xu.

Baseret på nøgleparametre, som teamet havde identificeret, holdet trænede en maskinlæringsmodel med et datasæt på over 300 spineloxider for at screene og forudsige effektiviteten af ​​enhver spineloxidkatalysator i løbet af få sekunder.

Ved at bruge denne metode, holdet fandt, at et nyt oxid bestående af mangan og aluminium blev forudsagt at vise overlegen katalytisk aktivitet. Dette blev valideret eksperimentelt.

Assoc Prof Xu sagde:"Mens evnen til at designe højeffektive katalysatorer i høj grad skubber teknikken til vandelektrolyse i brintproduktion fremad, der er to andre store flaskehalse, vi skal se på, før en udbredt anvendelse af denne teknik er mulig. For det første, vi er nødt til at forbedre membranen i sådanne alkaliske elektrolysatorer for at understøtte langsigtet brintproduktion. Når det er gjort, så kan vi arbejde sammen med vores ingeniørkolleger for at se, hvordan vi kan sætte alle disse opgraderinger ind i en elektrolyser, der kan fungere på industrielt niveau."