En billig och effektiv ny katalysator utvecklad av forskare vid University of California, Berkeley, kan generera vätebränsle från vatten lika effektivt som platina, för närvarande den bästa – men också dyraste – vattenuppdelande katalysatorn som finns.

Katalysatorn, som består av nanometertunna plåtar av metallkarbid, tillverkas med en självmonteringsprocess som bygger på en överraskande ingrediens:gelatin, materialet som ger Jell-O dess jiggle.

"Platina är dyrt, så det skulle vara önskvärt att hitta andra alternativa material för att ersätta den, " sa seniorförfattaren Liwei Lin, professor i maskinteknik vid UC Berkeley. "Vi använder faktiskt något som liknar Jell-O som du kan äta som grund, och blanda det med några av de rikliga jordelementen för att skapa ett billigt nytt material för viktiga katalytiska reaktioner."

Verket visas i den tryckta upplagan av tidskriften den 13 december Avancerade material .

En ström av elektricitet kan bryta isär de starka bindningarna som binder samman vattenmolekyler, skapar syre och vätgas, den senare är en extremt värdefull energikälla för att driva vätebränsleceller. Vätgas kan också användas för att lagra energi från förnybara men intermittenta energikällor som sol- och vindkraft, som producerar överskottsel när solen skiner eller när vinden blåser, men som går i dvala under regniga eller lugna dagar.

Men att bara sticka en elektrod i ett glas vatten är en extremt ineffektiv metod för att generera vätgas. Under de senaste 20 åren, forskare har letat efter katalysatorer som kan påskynda denna reaktion, gör den praktisk för storskalig användning.

"Det traditionella sättet att använda vattengas för att generera väte dominerar fortfarande inom industrin. denna metod producerar koldioxid som biprodukt, " sa första författaren Xining Zang, som genomförde forskningen som doktorand i maskinteknik vid UC Berkeley. "Elektrokatalytisk vätegenerering växer under det senaste decenniet, efter det globala kravet på att minska utsläppen. Att utveckla en mycket effektiv och billig katalysator för elektrohydrolys kommer att ge djupgående tekniska, ekonomisk och samhällsnytta."

För att skapa katalysatorn, forskarna följde ett recept som var nästan lika enkelt som att göra Jell-O från en låda. De blandade gelatin och en metalljon - antingen molybden, volfram eller kobolt - med vatten, och låt sedan blandningen torka.

"Vi tror att när gelatin torkar, den självmonterar lager för lager, "Sa Lin. "Metaljonen bärs av gelatinet, så när gelatinet sätts ihop, din metalljon är också ordnad i dessa platta lager, och dessa platta lakan är det som ger Jell-O dess karakteristiska spegelliknande yta."

Uppvärmning av blandningen till 600 grader Celsius triggar metalljonen att reagera med kolatomerna i gelatinet, bildar stora, nanometertunna plåtar av metallkarbid. Det oreagerade gelatinet bränns bort.

Forskarna testade effektiviteten hos katalysatorerna genom att placera dem i vatten och leda en elektrisk ström genom dem. När de staplas upp mot varandra, molybdenkarbid delat vatten mest effektivt, följt av volframkarbid och sedan koboltkarbid, som inte bildade tunna lager lika bra som de andra två. Att blanda molybdenjoner med en liten mängd kobolt höjde prestandan ännu mer.

"Det är möjligt att andra former av karbid kan ge ännu bättre prestanda, " sa Lin.

Katalysatorns tvådimensionella form är en av anledningarna till att den är så framgångsrik. Det beror på att vattnet måste vara i kontakt med katalysatorns yta för att göra sitt jobb, och plåtarnas stora yta gör att metallkarbiderna är extremt effektiva för sin vikt.

Eftersom receptet är så enkelt, det kan lätt skalas upp för att producera stora mängder av katalysatorn, säger forskarna.

"Vi fann att prestandan är mycket nära den bästa katalysatorn gjord av platina och kol, som är guldstandarden på detta område, ", sa Lin. "Detta betyder att vi kan ersätta den mycket dyra platinan med vårt material, som görs i en mycket skalbar tillverkningsprocess."