Nanopartikelkatalysatorer utvecklade av A*STAR-forskare kan hjälpa till att klyva vatten för att producera väte, ett rent brinnande bränsle som ger ett bekvämt sätt att lagra förnybar energi.

Platina är för närvarande det mest effektiva katalytiska elektrodmaterialet för att generera väte på detta sätt, men ädelmetallen är både knapp och dyr. Yee-Fun Lim och kollegor vid A*STAR Institute of Materials Research and Engineering har nu utvecklat elektrokatalysator-nanopartiklar som är mycket aktiva, billig och stabil, och som utför väteutvecklingsreaktionen såväl som eventuella alternativ till platina som ännu upptäckts.

Teamet använde poröst nickelskum som grund för sin elektrod, eftersom det ger en mycket stor yta för att stödja aktiva katalytiska nanopartiklar. Sedan belade de skummet med en kobolt-tioureaförening, och värmde upp den för att bryta ner tiokarbamiden, som släppte ut svavel. Detta svavel reagerade med metallerna för att bilda nanopartiklar av koboltsulfid och nickelsulfid. Forskarna studerade strukturen och sammansättningen av nanopartiklarna med hjälp av en mängd olika tekniker, inklusive röntgendiffraktion och svepelektronmikroskopi.

Under reaktionen, elektricitet hjälper metallatomer på ytan av dessa nanopartiklar att plocka en väteatom från en vattenmolekyl. Väteatomen kombineras sedan med en annan väteatom - antingen på nanopartikelns yta, eller från en annan vattenmolekyl - för att göra vätgas (H2). Avgörande, metallsulfidnanopartiklarna fungerar bra under de alkaliska förhållanden som vanligtvis krävs för den parallella reaktionen som genererar syre under vattenklyvning.

Lims team visade att variation av temperaturen och varaktigheten av uppvärmningssteget som användes för att förbereda nanopartiklarna hade en dramatisk effekt på deras sammansättning och relativa proportioner, och test visade att detta bestämde deras aktivitet i väteutvecklingsreaktionen. Långvarig uppvärmning fick några av nanopartiklarna att klumpa ihop sig, till exempel, och ökade också andelen koboltsulfid, vilket avsevärt minskade katalysatorns aktivitet.

Den bästa prestandan kom från den blandade metallsulfiden som hade värmts upp till 500 grader Celsius i bara 10 minuter (se bild). Det krävdes en relativt låg spänning på 163 millivolt för att initiera väteutvecklingsreaktionen, bara 47 millivol högre än en kommersiell platinaelektrokatalysator, och jämförbar med de bästa alternativen. Katalysatorn visade ingen nedbrytning under tre dagars kontinuerliga reaktioner.

"Den blandade katalysatorn kombinerar de goda egenskaperna hos både nickel- och koboltkatalysatorer för att uppnå överlägsen prestanda, "säger Lim. Hans team planerar att använda en liknande metod för att skräddarsy katalytiska nanopartiklar för en annan reaktion som förvandlar koldioxid till bränslen.