Att dela vatten i väte och syre för att producera ren energi kan förenklas med en enda katalysator utvecklad av forskare vid Rice University och University of Houston.

Den elektrolytiska filmen som produceras på Rice och testades i Houston är en treskiktsstruktur av nickel, grafen och en förening av järn, mangan och fosfor. Det skummande nickeln ger filmen en stor yta, den ledande grafenen skyddar nickel från att brytas ned och metallfosfiden utför reaktionen.

Det robusta materialet är föremål för ett papper i Nanoenergi .

Riskemisten Kenton Whitmire och Houstons el- och dataingenjör Jiming Bao och deras labb utvecklade filmen för att övervinna barriärer som vanligtvis gör en katalysator bra för att producera antingen syre eller väte, men inte båda samtidigt.

"Vanliga metaller oxiderar ibland under katalys, " sa Whitmire. "Normalt, en väteutvecklingsreaktion görs i syra och en syreutvecklingsreaktion görs i bas. Vi har ett material som är stabilt oavsett om det är i en sur eller basisk lösning."

Upptäckten bygger på forskarnas skapelse av en enkel syreutvecklingskatalysator som avslöjades tidigare i år. I det arbetet, teamet odlade en katalysator direkt på en halvledande nanorod-array som förvandlade solljus till energi för solvattenklyvning.

Elektrokatalys kräver två katalysatorer, en katod och en anod. När den placeras i vatten och laddas, väte bildas vid en elektrod och syre vid den andra, och dessa gaser fångas upp. Men processen kräver i allmänhet dyra metaller för att fungera lika effektivt som Rice-teamets katalysator.

"Standarden för väteutveckling är platina, " sa Whitmire. "Vi använder material som finns i överflöd av jorden - järn, mangan och fosfor - i motsats till ädelmetaller som är mycket dyrare."

Den nya katalysatorn kräver också mindre energi, sa Whitmire. "Om du vill göra väte och syre, du måste lägga in energi, och ju mer du lägger i, ju mindre kommersiellt gångbart det är, " sa han. "Du vill göra det med den minsta möjliga mängden energi. Det är en fördel med vårt material:Överpotentialen (mängden energi som krävs för att utlösa elektrokatalys) är liten, och ganska konkurrenskraftig med andra material. Ju lägre du kan få den, ju närmare du kommer att göra det så effektivt som möjligt för vattenklyvning."

grafen, den atomtjocka formen av kol, är nyckeln till att skydda det underliggande nickelet. Ett till tre lager grafen bildas på nickelskummet i en ugn för kemisk ångavsättning (CVD), och järnet, mangan och fosfor tillsätts ovanpå det, även via CVD och från en enda prekursor.

Tester från Baos labb jämförde nickelskum och fosfiden både med och utan grafen i mitten och fann att den ledande grafenen sänkte laddningsöverföringsmotståndet för både väte- och syrereaktioner.

"Nickel är en av de bästa katalysatorerna för att göra grafen, " sa co-lead författare Desmond Schipper, en Rice-student. "Väsentligen, vi använder nickel för att förbättra nickel." Han sa att manganet också ger en skyddsnivå.

Whitmire sa att materialet är skalbart och borde hitta användning i industrier som producerar väte och syre eller av sol- och vinddrivna anläggningar som kan använda elektrokatalys för att lagra lågenergi.

Den kan även anpassas för att producera andra avancerade material. "Vår metod kan vara allmänt tillämpbar på ett stort antal metallfosfidmaterial för katalysatorer - inte bara för vattenspjälkning, men för en rad saker, " han sa.

"En kritisk faktor är att vi kan göra fasrena material med olika sammansättningar. För närvarande, människor har väldigt lite kontroll över fasen de får på en yta, och i många fall får de en blandning. När det händer, de vet inte vilken fas som faktiskt är ansvarig för katalysen. Med vår process, de kan veta."