Rice University kemister har tagit fram en katalysator baserad på laserinducerad grafen som delar vatten till väte på ena sidan och syre på andra sidan. De sa att det billiga materialet kan vara en praktisk komponent för att generera vätgas för användning i framtida bränsleceller.

Det lätttillverkade materialet som utvecklats av kemisten James Tours Rice-lab erbjuder ett robust och effektivt sätt att lagra kemisk energi. Tester visade att den tunna katalysatorn producerade stora bubblor av syre och väte på båda sidor samtidigt.

Processen är föremål för en artikel i American Chemical Society's Tillämpade material och gränssnitt .

"Väte tillverkas för närvarande genom att omvandla naturgas till en blandning av koldioxid och vätgas, Tour sa. "Så för varannan vätemolekyl, en molekyl av koldioxid bildas, gör denna traditionella process till en utsläppare av växthusgaser.

"Men om man delar vatten i väte och syre, använda ett katalytiskt system och el genererad från vind- eller solenergi, då är vätgasen helt förnybar, " sa han. "En gång använd i en bränslecell, den återgår till vatten utan andra utsläpp. Och bränsleceller är ofta dubbelt så effektiva som förbränningsmotorer, ytterligare spara energi."

Katalysatorn är en annan användning för mångsidig laserinducerad grafen (LIG), som Rice introducerade 2014. LIG framställs genom att behandla ytan på ett ark av polyimid, en billig plast, med en laser. Snarare än ett platt ark av hexagonala kolatomer, LIG är ett skum av grafenark med en kant fäst vid den underliggande ytan och kemiskt aktiva kanter exponerade för luften.

LIG i sig är inert, så att förvandla den till en vattendelare innebär några fler steg. Först, labbet impregnerade sidan av plasten som var avsedd att dra väte från vatten med platinapartiklar; sedan använde labbet en laser för att värma ytan och göra LIG. Rismaterialet använder bara en fjärdedel av platina som finns i kommersiella katalysatorer, sa Jibo Zhang, en Rice-student och huvudförfattare till tidningen.

Den andra sidan, för syreutveckling, omvandlades först till LIG och förstärktes sedan med nickel och järn genom elektrokemisk avsättning. Båda sidor visade låga startpotentialer (spänningen som behövs för att starta en reaktion) och stark prestanda över 1, 000 cykler.

Laboratoriet kom på en annan variant:att göra polyimiden till en LIG-katalysator med kobolt och fosfor som kan ersätta antingen platina- eller nickel-järnsidorna för att producera väte eller syre. Medan lågkostnadsmaterialet gynnas av att eliminera dyra ädelmetaller, det offrar viss effektivitet i vätegenerering, sa Tour.

När den är konfigurerad med kobolt-fosfor för väteutveckling och nickel-järn för syre, Katalysatorn levererade en strömtäthet på 10 milliampere per kvadratcentimeter vid 1,66 volt. Den kunde ökas till 400 milliampere per kvadratcentimeter vid 1,9 volt utan att försämra materialet. Strömtätheten styr hastigheten för den kemiska reaktionen.

Tour sa att förbättrad LIG erbjuder vattenklyvningsprestanda som är jämförbar och ofta bättre än många nuvarande system, med en fördel i sin inneboende separator mellan syre- och väteprodukter. Han noterade att det kan ha stort värde som ett sätt att kemiskt lagra energi från avlägsna sol- eller vindkraftverk som annars skulle gå förlorade i överföringen.

Materialet kan också tjäna som bas för effektiva elektrokatalysplattformar för koldioxid- eller syrereduktion, han sa.