Väte som produceras av vatten genom väteutvecklingsreaktionen är en attraktiv ren bränslekälla. Produktion av väte i stor skala till låg kostnad är nödvändig för att förverkliga dess lönsamhet som en alternativ energikälla till fossila bränslen. För att uppnå detta mål, hållbar, billiga katalysatorer krävs. De flesta närvarande katalysatorer baserade på oädla metaller lider av instabilitet i de sura lösningar som bildas under väteutveckling. Dock, att helt enkelt skydda katalysatorn från den sura lösningen tenderar att sänka dess aktivitet.

Ett samarbete ledd av University of Tsukuba har nyligen optimerat ett tillvägagångssätt för att öka stabiliteten hos katalysatorer som används i väteutvecklingsreaktionen utan att markant offra aktivitet. Teamet fann att beläggning av katalysatornanopartiklar med ett optimalt antal lager av grafen - ett ark av kolatomer organiserade i ett bikakegitter med hög ledningsförmåga och mekanisk styrka - höjde nanopartikelns hållbarhet samtidigt som de tillät nanopartiklarna att behålla sin katalytiska aktivitet. Studien rapporterades i ACS Energy Letters.

"Vi optimerade balansen mellan antalet grafenlager som täcker nanopartiklarna och deras katalytiska aktivitet, ", säger studieförfattaren Kailong Hu. "För att göra detta, vi var tvungna att exakt kontrollera antalet grafenlager som täcker nanopartiklarna, vilket vi uppnådde genom att noggrant reglera avsättningstiden för grafen på nanopartiklarna."

En serie nanopartikelprover belagda med olika antal grafenlager tillverkades, karakteriserad, och sedan bestämdes deras katalytiska aktivitet i väteutvecklingsreaktionen. Katalysatornanopartiklarna belagda med det optimala antalet grafenlager, som bara var tre till fem lager, uppvisade liknande aktivitet i väteutvecklingsreaktionen som den hos en dyr platinabaserad katalysator. Viktigt, dessa nanopartiklar uppvisade också hög stabilitet; grafenbeläggningen hindrade metallnanopartiklarna från att lösas upp i den sura reaktionslösningen.

Forskarna genomförde teoretiska beräkningar för att stödja sina experimentella fynd. Resultaten bekräftade sambanden mellan grafenlagernummer, kemisk stabilitet, och katalytisk aktivitet hos nanopartiklarna som indikeras av experimentdata. Det är, nanopartiklarna belagda med mindre än tre grafenskikt visade högre katalytisk aktivitet än de belagda med tre till fem skikt, men detta kom på bekostnad av hållbarheten; den förra visade sämre kemisk stabilitet än den senare.

"Våra resultat banar väg för rationell design av stall, billiga katalysatorer för storskalig väteproduktion vid vätgasstationer genom elektrolys av polymerelektrolytmembran på plats under sura förhållanden, " förklarar medförfattaren Yoshikazu Ito.

Teamets resultat tar oss ett steg närmare förverkligandet av en ren och hållbar framtid med väte som bränslekälla.