Växternas förmåga att skörda solljus och klyva vatten till väte och syre genom fotosyntes har länge fascinerat forskare, som har försökt replikera processen för att fånga väte som en förnybar och hållbar bränslekälla.

Trots sitt löfte, storskalig användning av väte begränsas av kostnad och effektivitet i dess utvinningsprocesser, vilket kräver en energitillförsel för att vända reaktionen som kombinerar syre och väte i första hand.

En metod är elektrolys, där en elektrisk ström tillförs vatten genom att sätta in två elektroder och den kemiska bindningen mellan väte- och syreatomerna bryts.

Detta frigör vätgas som en gas som kan fångas upp och omvandlas till elektrisk energi i en bränslecell, där de enda biprodukterna från dess användning är värme och vatten.

Utmaningen för forskarna är att hitta en katalysator för att driva elektrolys som kräver mindre energi än vad som erhålls från det resulterande vätet.

Det komplicerade är att materialen som används vid elektrolys börjar korrodera när en ström appliceras, kräver användning av ädelmetaller, som platina, guld eller silver.

Dessa är dyra och sällsynta metaller som vanligtvis används i elektronik, medicin och som katalysatorer för kemisk reaktion.

Katalytiska utmaningar

Dr Yi Du, en senior forskare vid University of Wollongong's Institute for Superconducting and Electronic Materials (ISEM), sa att den största utmaningen med vattendelning i industriell skala är att hitta mycket effektiv, lågkostnads- och jordmängder av elektrokatalysatorer, som kan sänka den spänning som behövs för att dela vatten till väte.

"Vatten är en ren källa som kan nås på ett hållbart sätt, vilket gör det till ett attraktivt och lovande substitut för flytande petroleumgas om vi kan sänka den efterfrågade energin för att klyva vatten, " sa doktor Du.

"Generellt, det finns få elektrokatalysatorer för att göra väteproduktion tillräckligt kostnadseffektiv för användning i kommersiell skala."

Dr. Du's team på ISEM, i ett samarbete med forskare vid Beihang University i Kina, har tillverkat en högpresterande elektrokatalysator med en lågkostnadsmetall som har visat sig vara lämplig för vattenklyvning.

Titanoxider är en riklig råvara som vanligtvis finns som ett vitt pulver i malmer, sand och jord, och används ofta som pigment i produkter som solskyddsmedel, kosmetika, färger och lim, bland andra användningsområden.

Även om titan har utmärkt korrosionsbeständighet och elektrisk ledningsförmåga, i dess oxid är det en isolator, och forskare har länge tyckt att det är olämpligt att använda som elektrokatalysator.

Dr. Dus team kunde ta en enda kristall av titanoxid och i en vakuumkammare, ta bort alla syreatomer från ytan, lämnar en ledande, hållbart och effektivt katalysatormaterial som är billigt och lätt att tillverka

"Jämfört med en traditionell katalysator, den ledande titanoxiden kräver mycket lite energitillförsel för att driva elektrolysvattensönderdelningsprocessen, "Dr Du sa.

"Genom att införa ett stort antal syrevakanser i materialets yta kan vi optimera dess fysikaliska och kemiska egenskaper för att vara aktiva för vattenklyvning.

"Vi har visat att en rad jordartade, billiga och kemiskt stabila material baserade på titan är lovande elektrokatalysatorer vid vattenspjälkning, vilket kan minska kostnaden för denna teknik och påskynda storskalig användning. "

Energipotential med noll utsläpp

Om den elektriska energin för att driva reaktionen också kommer från förnybar produktion, processen har potential att vara nära energineutral.

"Det finns ganska många applikationer för att använda detta bränsle, den kanske mest lovande tillämpningen är storskalig vattenklyvning till kraftfabriker som har höga energibehov, "Dr Du sa.

Väte kan omvandlas till elektrisk energi genom bränsleceller som kan arbeta kontinuerligt i närvaro av väte och syre.

"Användning av solceller för att skörda energi för att driva processen är också ett lovande sätt att producera väte på ett hållbart sätt med nollutsläpp för användning i transporter via vätebränslecellsfordon."

Att ta tag i trädgårdsslangen för att driva bilen kan verka som science fiction, Dr Du sa att de grundläggande utmaningarna på produktionssidan av väteekvationen var kostnad och effektivitet.

"Den största utmaningen är fortfarande kostnaden för katalysatorn. Det är därför vi behöver en effektiv och billig katalysator, som effektivt kan omvandla vatten till väte."

Verket publicerades nyligen i tidningen ACS-katalys och bygger på samarbete med Beihang University via Beihang-UOW Joint Research Centre.