Väte är ett av de mest lovande rena bränslena för användning i bilar, hus och bärbara generatorer. När den produceras av vatten med förnybara energikällor, det är också ett hållbart bränsle utan koldioxidavtryck.

Dock, vattensplittande system kräver en mycket effektiv katalysator för att påskynda den kemiska reaktionen som delar vatten i väte och syre, samtidigt som gaserna inte rekombineras tillbaka till vatten. Nu ett internationellt forskarlag, inklusive forskare vid Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, har utvecklat en ny katalysator med en molybdenbeläggning som förhindrar denna problematiska bakreaktion och fungerar bra under realistiska driftsförhållanden.

En viktig del av utvecklingen fokuserade på att förstå hur molybdenbeläggningen fungerade med hjälp av experiment vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), en DOE Office of Science User Facility. Forskarna rapporterade sina resultat den 13 april Angewandte Chemie .

"När du delar vatten i väte och syre, de gasformiga produkterna från reaktionen kan lätt rekombineras tillbaka till vatten och det är viktigt att undvika detta, sa Angel Garcia-Esparza, huvudförfattare och för närvarande postdoktor från Ecole Normale Supérieure de Lyon. "Vi upptäckte att en molybdenbelagd katalysator är kapabel att selektivt producera väte från vatten samtidigt som den inhiberar bakreaktionerna av vattenbildning."

Experimenten visade att deras molybdenbeläggningsstrategi har tillämpningar i elektrokatalys och fotokatalysanordningar, lade till Garcia-Esparza. Dessa är enheter som hjälper till att driva fram en reaktion med elektricitet eller ljus.

Söker efter stabilitet

Garcia-Esparza hjälpte till att utveckla den nya katalysatorn som doktorand vid King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) i Saudiarabien under ledning av Kazuhiro Takanabe, docent i kemisk vetenskap vid KAUST. Takanabes forskargrupp utforskade stabiliteten, prestanda och funktion hos många olika element innan man väljer molybden som beläggning för en standard platinabaserad katalysator.

"Att hitta en beläggning som fungerade bra i den sura elektrolyten som används för vattenklyvning var en stor utmaning för mina medarbetare, eftersom många material snabbt bryts ned under de sura förhållandena, " sa medförfattaren Dimosthenis Sokaras, en stabsforskare vid SLAC.

Av de beläggningar de testade, "Molybden var det bästa materialet i sura medier, där förutsättningarna för väteutveckling är gynnsamma och lätta, "Förklarade Garcia-Esparza.

Testa prestandan

En annan stor utmaning var att hitta ett sätt att mäta egenskaperna hos deras molybdenbelagda katalysator, eftersom dessa molybdenföreningar inte är stabila när de utsätts för luft. "Att ta katalysatorn ur vattnet stör materialets identitet, " sade Garcia-Esparza. "Därför, det var nödvändigt att studera elektrokatalysatorn under arbetsförhållanden, vilket är svårt."

Så Garcia-Esparza tillbringade en sommar med att utföra elektrokemiexperiment på SSRL för att karakterisera den nya katalysatorn under driftsförhållanden. "Tanken var att arbeta tillsammans för att se hur den molybdenbelagda katalysatorn presterade och bestämma dess elektroniska struktur när den var i drift, " sa Sokaras. "Vi ville förstå varför ryggreaktionen inte inträffar."

De testade en platina katalysator, med och utan molybdenbeläggning, under vattenelektrolys vid SSRL, använder in operando röntgenabsorptionsspektroskopi med en specialtillverkad elektrokemisk cell. "På SSRL, vi kunde i huvudsak göra elektrokemi medan vi analyserade provet med synkrotronstrålning, ", sa Garcia-Esparza. "Experimenten som utfördes vid SLAC var den sista pusselbiten för att bestämma den lokala strukturen och tillståndet för elektrokatalysatorn under driftsförhållandena för väteproduktion."

"Våra fynd stöder att molybdenskiktet fungerar som ett membran för att blockera syre och vätgas från att nå nära platinaytan, som förhindrar vattenbildning, "Sa Sokaras.

Dessutom, forskargruppen utforskade fotokatalysapplikationer. De byggde ett fotokatalytiskt vattensplittande system med antingen en standardkatalysator av platina på strontiumtitanoxid (Pt/SrTiO3) eller samma katalysator belagd med molybden. Båda systemen testades på KAUST med lamporna på och av — det vill säga, med och utan en energikälla som driver den vattensplittrande reaktionen.

När ljuset tändes, standard-Pt/SrTiO3-katalysatorn ökade väteproduktionen i endast sex timmar eftersom systemet tappade effektivitet på grund av bakreaktionen. När lamporna sedan släcktes, mängden väte minskade med tiden – vilket verifierade att betydande mängder av gaserna rekombinerade för att bilda vatten.

I kontrast, den molybdenbelagda katalysatorn delar kontinuerligt vatten för att generera ökande mängder vätgas under 24 timmar, producerar ungefär dubbelt så mycket vätgas som standardkatalysatorn på en dag. Dessutom, mängden väte förblev stabil i mörker, bekräftar att beläggningen hämmar vattenbildning

Dessa resultat är lovande, men mer arbete behöver fortfarande göras innan katalysatorn kan användas i en praktisk anordning. Sokaras sa:"Jag tror att vi är långt ifrån att prata om en kommersiell enhet, men det är verkligen en enorm förbättring att ha detta nya katalysatormaterial som förhindrar bakreaktionen. Nu måste vi hitta ett sätt att göra beläggningen mer stabil så att den producerar väte ännu längre."