Den "rena energiekonomin" verkar alltid vara några steg bort men aldrig riktigt här. Mest energi för transport, uppvärmning och kylning och tillverkning levereras fortfarande med fossila bränslen. Men med några vetenskapliga genombrott, väte, det mest förekommande elementet i universum, kan bli energibäraren för ett framtida ren energisamhälle. Att ta ett steg närmare det svårfångade målet, ett team av forskare från Penn State och Florida State University har utvecklat en lägre kostnad och industriellt skalbar katalysator för att producera rent väte genom en lågenergiprocess för vattendelning.

"Energi är vår tids viktigaste fråga, och för energi, bränsleceller är avgörande. Och sedan för bränsleceller, väte är viktigast, "säger Yu Lei, en doktorand vid Penn State och första författare till en ny uppsats i ACS Nano som beskriver den vattenklyvande katalysator som hon och hennes kollegor teoretiskt förutspådde och syntetiserade i labbet. "Människor har letat efter en bra katalysator som effektivt kan dela upp vatten till väte och syre. Under denna process, det kommer inte att finnas några biprodukter som inte är miljövänliga."

Den nuvarande industriella metoden för att framställa väte – ångreformering av metan – leder till att CO2 släpps ut i atmosfären. Andra metoder utnyttjar spillvärme, från avancerade kärnkraftverk, eller koncentrerad solenergi, som båda står inför tekniska utmaningar för att bli kommersiellt genomförbara. En annan industriell process använder platina som katalysator för att driva vattenuppdelningsprocessen. Även om platina är en nästan perfekt katalysator, det är också dyrt. En billigare katalysator kan göra väte till ett rimligt alternativ till fossila bränslen inom transporter, och kraftbränsleceller för energilagringstillämpningar.

"Molybdendisulfid (MoS2) har förutspåtts som en möjlig ersättning för platina, eftersom Gibbs fria energi för väteabsorption är nära noll, "säger Mauricio Terrones, professor i fysik, materialvetenskap och teknik och kemi vid Penn State. Ju lägre Gibbs fria energi, desto mindre extern energi måste tillföras för att producera en kemisk reaktion.

Dock, experimentellt, det finns nackdelar med att använda MoS2 som katalysator. I sin stabila fas, MoS2 är en halvledare, vilket begränsar dess förmåga att leda elektroner. För att komma runt det problemet, laget lade till reducerad grafenoxid, en starkt ledande form av kol. Sedan, för att ytterligare minska den fria energin, de legerade MoS2 med volfram för att skapa en tunn film med omväxlande grafen- och volfram-molybdendisulfidlager. Tillsatsen av volfram sänker den elektriska spänningen som krävs för att dela vatten med hälften, från 200 millivolt med ren MoS2, till 96 millivolt med volfram-molybdenlegeringen.

Vattenklyvningsprocessen använder en mycket liten mängd elektrisk energi som appliceras på en elektrod nedsänkt i vatten. Att använda denna lilla potential, protonerna i lösningen kan absorberas på katalysatorns yta. Då kommer två protoner att migrera tillsammans för att bilda en vätebubbla som stiger upp till ytan och frigör vätet.

Ur teoretisk synvinkel, elektronorbitalen spelar en avgörande roll. I fallet med ren MoS2, orbitalen från metallen överlappar inte väl med orbitalen av väte i nyckelreaktionssteget; dock, när legeringen är närvarande interagerar dessa orbitaler väl och gör reaktionen mer effektiv. Detta liknar vad platina gör, och anledningen till att platina är så energieffektiv vid denna kemiska reaktion. Dock, i det här arbetet, forskare visade att billigare och rikligare element kan användas och nå en effektivitet som överträffar alla de bästa katalysatorerna.

"Vad som händer i dessa legeringar är en utsökt överlappning av orbitaler som gör reaktionen mer effektiv. Detta observeras inte i de rena komponenterna. Det är ett exempel där hybriden är bättre än de rena komponenterna, " säger Jose L. Mendoza-Cortes, professor i kemiteknik, materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och vetenskaplig beräkning vid Florida State.

Vätebränsleceller kan öka en ren energiekonomi inte bara inom transportsektorn, där snabb bränslepåfyllning och fordonsräckvidd överträffar batteridrivna fordon, men också för att lagra elektrisk energi som produceras av sol och vind. Detta arbete är ytterligare ett steg framåt för att nå det målet.