Brint fra vand i jern nanotruss strukturer

Svenske forskere har opdaget en ny og effektiv måde at bruge elektrokatalyse til at producere brintgas fra vand. I stedet for at bruge dyre og vanskeligt tilgængelige platinelektroder, den nye metode bruger elektroder med nanotruss-strukturer af jernoxid. Forskningen ledes af professor Ulf Helmersson.

Forskergruppen for plasma- og belægningsfysik ved Linköping Universitet fremstiller tynde film af nanomaterialer. At gøre dette, forskerne bruger en teknik kendt som "pulsed plasma sputtering". Den grundlæggende proces, sprutter, er en almindeligt anvendt belægningsmetode, der bruges i industri og forskning. Atomer sputteres på et substrat i et kammer for at danne et tyndt lag med konstant tykkelse, ved hjælp af ioniseret gas. LiU-forskerne har videreudviklet teknikken og bruger korte, men højeffektive pulser af et plasma for at få nanopartikler af de sputterede atomer til at vokse. Nanopartiklerne vokser, mens de flyder i gassen.

Imidlertid, i et af eksperimenterne drevet af Sebastian Ekeroth, doktorand i plasma- og belægningsfysik, materialet viste sig at være dannet et helt forkert sted.

"Det så ud, som om der lå affald rundt omkring i kammeret. Jeg undersøgte noget af det i et mikroskop og så et sammenfiltret bundt af nanotråde, " husker han.

Professor Ulf Helmersson indså betydningen af ​​resultaterne, og et nyt forskningsfelt baseret på ferromagnetiske nanostrukturer blev grundlagt.

Forskere rundt om i verden bliver stadig mere interesserede i ferromagnetiske nanopartikler og hvordan de kan fremstilles, især i forskellige typer af løsninger. Disse magnetiske materialer bliver mere og mere interessante til energilagring (med en særlig interesse for lagring af energi fra vedvarende kilder), katalyse, og syntese af kemikalier.

Gruppen på LiU, i samarbejde med forskere ved Umeå Universitet, har udviklet en metode til at styre produktionen af ​​ferromagnetiske nanostrukturer ved hjælp af pulserende plasmasputtering. Resultatet er blevet offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Nanobogstaver .

I dette tilfælde, Sebastian Ekeroth har brugt ioniseret argon indført i et kammer med en jernkatode og en rustfri stålanode. Jernatomer sputteres fra katoden og danner nanopartikler med en diameter på omkring 20 nm. Et påført magnetfelt forårsager jernpartiklerne, som er iboende magnetiske, at komme sammen og danne en stabil og veldefineret trussstruktur, både på papir og metaloverflader.

Den komplette struktur, med alle dets vinkler og noder, er også dækket af et lag jernoxid med en tykkelse på 2 nm, når strukturen udsættes for luft.

"Den måde, hvorpå jernpartiklerne hægter sig ind i hinanden, giver en meget stabil struktur. Miljøet i en elektrolyt kan være meget ujævnt. Hvis ledningsevnen skal bevares indtil slutningen af ​​processen, så er der en meget stabil struktur. det er vigtigt, at strukturen ikke går i stykker, siger Sebastian Ekeroth.

Metoden kan også bruges til store arealer.

"Metoden er velegnet til applikationer, hvor der er behov for et tredimensionelt materiale på tværs af store områder, siger Ulf Helmersson.

Forskerne beskriver i artiklen i Nanoletters, hvordan de med succes har brugt en katode med jernoxidnanostrukturer på overfladen af ​​et ledende lag af kulpapir til at nedbryde vand til brint og ilt.

Denne elektrode har mange fordele i forhold til dyre elektroder fremstillet af det vanskeligt opnåelige platin. Den nye elektrode er let, kan bøjes, har en høj kapacitet, og er udelukkende sammensat af miljøvenlige og let fremskaffede stoffer, nemlig jern, ilt og kulstof.

Brintgassen har et højt energiindhold. Når den kemiske energi i brinten omdannes til elektrisk energi i en brændselscelle, det eneste affaldsprodukt, der dannes, er vand. Interessen for brændselsceller er støt stigende, primært af miljømæssige årsager. Imidlertid, 96 % af den brint, der i øjeblikket produceres, kommer fra ikke-vedvarende kilder. Jagten går på mere miljøfølsomme metoder til at producere brint. Sidstnævnte er også en potentiel energibærer, og dermed et muligt medium til lagring af energi opnået fra, for eksempel, solenergi eller vindkraft.

"Produktionen af ​​brint er en vigtig anvendelse, men vi leder også

på andre områder, såsom elektroder i batterier, i superkondensatorer, og til brug i fotokatalyse, siger Ulf Helmersson.