Forskare vid Rice University och Lawrence Livermore National Laboratory har förutspått och skapat nya tvådimensionella elektrokatalysatorer för att extrahera väte från vatten med hög prestanda och låg kostnad.

I processen, de skapade också en enkel modell för att screena material för katalytisk aktivitet.

Flera katalysatorer modellerades av Rice teoretiske fysiker Boris Yakobson och huvudförfattare Yuanyue Liu, en före detta doktorand i sitt labb, och gjorda och testade av rismaterialforskare ledda av Pulickel Ajayan och Jun Lou. De fann att de nya dikalkogenidkatalysatorerna matchade effektiviteten hos platina - den vanligaste katalysatorn för väteutvecklingsreaktion (HER) i vattendelande celler - och kan tillverkas till en bråkdel av kostnaden.

Studien dyker upp i Naturenergi .

Forskare som har testat molybden- och volframdikalkogenider som möjliga HER-katalysatorer var frustrerade över att finna att de aktiva platserna tenderade att koncentreras vid metallplättarnas kanter, en liten andel av materialets yta.

Rice-teamet vände sig till niob och tantal, två andra övergångsmetaller (och kallade grupp-5 elektrokatalysatorer för deras mellanposition i det periodiska systemet). De kombinerade var och en med svavel, förväntar sig att de nya föreningarna skulle ha aktiva platser längs sina basala plan.

Det visade sig att vätet som producerades längs flygplanen gjorde något oväntat för att göra materialen ännu mer effektiva. "Processen genererar vätebubblor mellan lagren, som börjar bryta isär dem, ", sa Yakobson. "Detta gör lagren mer tillgängliga och ökar antalet aktiva webbplatser."

De flerskiktiga blodplättarna som utgör båda katalysatorerna blev tunnare, mindre och mer spridda eftersom de självoptimerade, forskarna observerade. Förtunningen förkortade vägen som elektronerna måste färdas, vilket sänkte laddningsöverföringsmotståndet.

Liu sa att prestandaförbättringar i båda elektrokatalysatorerna var direkt relaterade till förändringar i materialens fysiska form trots inga observerade förändringar i deras kemiska eller kristallegenskaper.

"Detta arbete är en bra kombination av teori och experiment, sa Liu, som började projektet under ett stipendium 2013 på Lawrence Livermore. "Vi analyserade först varför de gamla katalysatorerna - molybden och volframdikalkogenider - inte fungerar bra och använde denna förståelse för att förutsäga nya katalysatorer. Vi vände oss sedan till våra experimentella kollegor, som framgångsrikt tillverkade och testade materialen och verifierade våra förutsägelser."

Yakobson sa att Lius metod att modellera materialet kan vara lika viktig som själva materialet. "Yuanyue skapade i själva verket ett nytt stenografisk sätt att utvärdera den katalytiska prestandan, " sa han. "Det gammalmodiga sättet var att direkt beräkna reaktantens bindningsenergi, som väte, till ytan. Istället, vi valde egenskapen hos själva katalysatorn för att fungera som deskriptor – utan att behöva oroa oss för vad som absorberades.

"Detta arbete är ett sällsynt exempel på Materials Genome Initiative i aktion, ", sade han. "Teorin utvecklar en deskriptor för snabbsökning bland många materialmöjligheter och för att påskynda upptäckten jämfört med försök och fel experiment." Initiativet är ett federalt program för att påskynda upptäckten och implementeringen av avancerade material.

Forskarna förväntar sig att materialens självoptimerande beteende kommer att ha praktiska fördelar för skalbar bearbetning.

"Att hitta ytaktiva katalysatorer i skiktade material är ett viktigt steg framåt för väteproduktion med hjälp av icke-ädelmetallkatalysatorer, " sa medförfattaren Lou, professor i materialvetenskap och nanoteknik och i kemi. "Det är också mycket viktigt att sådana ytaktiviteter kan verifieras direkt experimentellt, banar väg för framtida tillämpningar."