Forskare har länge varit förbryllade över varför det är lättare att producera väte från vatten i en sur miljö än i en alkalisk miljö. Marc Koper kommer med en förklaring:anledningen är det elektriska fältet vid katalysatorns yta, som är större i en alkalisk miljö, som han skriver i en publikation i Naturenergi den 20 mars.

Att producera väte mer effektivt

Marc Koper är professor i katalys och ytkemi och forskar om hållbar energi, som användningen av väte som bränsle. "Väte är en ren energikälla, som vi ännu inte kan göra på ett rent sätt i stor skala. Eftersom vi nu vet att det elektriska fältet spelar en viktig roll, vi är bättre på att finjustera nuvarande system för att göra dem mer effektiva, säger Koper.

Att elektrokemiskt omvandla vatten till väte och syre, elektroder är nödvändiga:en negativ katod och en positiv anod. "Katoden är där väte produceras. För detta, platina är den bästa katalysatorn, åtminstone i en sur miljö. För anoden, där syre bildas, iridium är den bästa katalysatorn. Och det är den sällsynta metallen på jorden."

Billigt nickel

"I en alkalisk miljö kan du använda nickel istället för iridium, vilket är mycket billigare. Dock, produktionen av väte är mycket svårare i en alkalisk miljö än i en sur miljö. Katoden kräver en högre spänning för att producera väte, vilket gör hela processen mindre effektiv."

Simma i ett elektriskt fält

Marc Koper och hans grupp misstänkte att styrkan hos det elektriska fältet spelar en roll i reaktionshastigheten. "I en sur miljö, det finns ett svagare elektriskt fält vid platinaelektroden vid en given spänning än i en alkalisk miljö. Ett starkt elektriskt fält gör att vattenmolekylerna nästan är "frusna". Laddade partiklar som protoner och hydroxidjoner har små problem med att röra sig när vattenmolekylerna lätt rör sig. Men i en alkalisk miljö är det elektriska fältet starkt, vilket resulterar i vattenmolekyler som inte kan röra sig när en laddad partikel behöver passera. För dessa partiklar, det är svårare att nå platinaelektroden. Det är anledningen till att reaktionen är långsammare än i en sur miljö, " Koper illustrerar sin teori.

Vi frågade oss själva:hur mäter man till exempel ett elektriskt fält nära elektrodens yta?", säger Koper. "Kollegor vid universitetet i Alicante i Spanien utvecklade en speciell metod för att mäta detta fält, så vår doktor Isis Ledezma-Yanez besökte dem. Måtten stämde överens med vår modell. Nästa, vi kommer att testa om modellen också är korrekt med andra katalysatorer än platina."

Vidare, denna forskning erbjuder Koper ett nytt sätt att förbättra system som producerar väte ur vatten. "Innan denna forskning, vi fokuserade bara på bindningsenergin hos katalysatorn med väte. Detta ska inte vara för starkt, men den ska inte vara för svag heller. Vi vet nu att styrkan hos det elektriska fältet också spelar en viktig roll. Vi kommer att utföra ytterligare experiment för att testa detta, till exempel genom att variera lösningens sammansättning.

Sättet på vilket väte bildas är annorlunda i en sur miljö jämfört med en alkalisk miljö.

Sur miljö

En proton (en partikel med positiv laddning) rör sig genom vattenlösningen mot platinaytan och binder till platinan som en väteatom.

Två väteatomer som är bundna vid ytan, binder samman och bildar väte.

Alkalisk miljö

Vatten reagerar på platinaytan, vilket resulterar i en väteatom bunden till platinan och en negativt laddad hydroxidjon (OH ^- ).

Hydroxidjonen rör sig mot vattenlösningen bort från platinaytan. På grund av det starka elektriska fältet och motsvarande "frusna" vatten, detta steg är långsamt.