Nanomaterial som påskyndar produktionen av vätgas har skapats av A*STAR och NTU-forskare. Detta arbete skulle kunna bidra till att utveckla mer effektiv teknik för att göra detta rena bränsle.

När väte brinner, den producerar bara vatten som en biprodukt, vilket gör det till ett attraktivt rent bränsle för fordon och andra energitillämpningar. Dock, det mesta av världens väte produceras idag med fossila bränslen i en process som släpper ut stora mängder av växthusgasen koldioxid.

Forskare tittar alltså på att tillverka väte genom att klyva vatten med el som genereras av förnybara källor. Dessa elektrolyssystem använder vanligtvis elektroder som innehåller katalysatorer, som påskyndar väteproduktionen och minskar mängden elektricitet som behövs för att driva väteutvecklingsreaktionen - en av de två reaktionerna som är involverade i att klyva vatten.

Nu, Yonghua Du från A*STAR Institute of Chemical and Engineering Sciences, arbetar med Hua Zhangs grupp vid Nanyang Technological University, har undersökt den katalytiska förmågan hos nanomaterial baserade på rheniumsulfidselenid.

Forskarna fokuserade på en fas som innehåller sicksackkedjor av rheniumatomer mellan böjda lager av svavel och selen. De använde ett kemiskt reagens för att infoga litium mellan dessa atomlager. Tillsats av vatten utlöste en reaktion som klippte bort prickar av material som bara var 2 nanometer stora.

Teamet testade sedan nanopartiklar som innehöll varierande andelar svavel och selen. Materialet med lika mängder svavel och selen hade den bästa katalytiska prestandan, kräver den lägsta spänningen för att katalysera väteutvecklingsreaktionen. Detta speciella material var också mycket stabilt, visar försumbar prestationsförlust även efter 20, 000 testcykler.

För att förstå ursprunget till denna katalytiska aktivitet, Dus team använde röntgenabsorptionsspektroskopi för att studera arrangemanget av atomer i nanopartiklarna. De fann att processen som användes för att skapa nanopartiklarna också kunde skapa defekter genom att slå ut svavelatomer från materialets struktur.

Zhangs grupp utförde ytterligare experiment och teoretiska beräkningar för att visa att dessa defekter förbättrade nanopartiklarnas katalytiska aktivitet genom att låta en laddning byggas upp på rheniumatomer bredvid platsen för det saknade svavlet (se bild).

"Defektteknik har visat sig vara ett av de mest effektiva sätten att förbättra aktiviteten hos katalysatorer för elektrokatalytisk väteutvecklingsreaktion, och röntgenabsorptionsspektroskopi är en nyckelteknik för att reda ut defekterna i nanomaterial, säger Zhang.

Forskarna säger att detta tillvägagångssätt för att förstå katalytisk aktivitet bör hjälpa till vid design och syntes av andra högpresterande elektrokatalysatorer.