Tanken på att använda väte som grunden för en ren och hållbar energikälla, ofta kallad väteekonomi, har varit ett samtalsämne i decennier. Vätgasbränsle, till exempel, släpper inte ut någon koldioxid och anses vara mer hållbar än traditionella fossila bränslen.

Det lättaste elementet i det periodiska systemet, väte är en energibärare som kan användas för att driva bränsleceller i transportfordon, byggnader eller annan infrastruktur. Väte kan också hjälpa till att återvinna saker som halm, gräs och annan biomassa till högvärdiga kemikalier som används i allt från plast till färg till personliga hygienartiklar.

Men tekniken som driver dessa innovationer har stått inför allvarliga utmaningar, främst för att frigöring av väte för dessa användningsområden huvudsakligen produceras genom processer som kräver fossila bränslen och medför en miljökostnad – koldioxid.

Nu, University of Delawares ingenjör Feng Jiao har patenterat en process som kan innehålla nyckeln till att producera grönare väte från vatten med hjälp av elektricitet och en koppar-titan-katalysator.

Fokus på förnybar energi

Jiao, en docent i kemisk och biomolekylär teknik och biträdande direktör för Center for Catalytic Science and Technology vid UD, var inte alltid intresserad av vattenelektrolys, som använder elektricitet för att reducera vatten till vätgas och syremolekyler. När han började på UD-fakulteten 2010, hans forskningsprogram fokuserade på energilagringsförmågan hos batterier.

"Men vi insåg att batterier är en dyr teknik för storskalig energilagring, så mitt labb började fokusera på fördelaktiga sätt att använda el istället, " sade Jiao. "Kemisk omvandling är ett sätt att göra detta."

Initialt, Jiao och hans forskargrupp fokuserade på att utveckla processer för att förvandla koldioxid till användbara kemikalier, som etanol som kan användas i syntetiska bränslen, eller eten som kan användas för att tillverka polymerer och plaster. Ett projekt, finansierat av National Science Foundation och senare av National Aeronautics and Space Administration (NASA), utforskade sätt att omvandla koldioxid till syre, något som skulle vara mycket användbart för utforskning av rymden på djupet. Jiao och hans elever utvecklade ett effektivt system, men fann att de behövde en bättre katalysator för att driva reaktionen.

När de testade olika metaller för jobbet, forskarna upptäckte oväntat att en koppar-titanium-legering är bland endast ett fåtal icke-ädelvärda, metallbaserade katalysatorer som kan dela vatten till vätgas och syre, en process som kallas väteutveckling. Både koppar och titan anses vara billiga och relativt rikliga jämfört med ädla metaller, som silver eller platina, vanligtvis lämpad för jobbet.

Väte produceras för närvarande med hjälp av vad som kallas ång-metan reformering, där naturgas och hög värme används för att befria vätemolekyler från metan. Jiao kallar det en "smutsig process" eftersom när vätgasen avlägsnas, allt som finns kvar är kol, vanligtvis i form av koldioxid.

"Så, du kan producera väte billigt, men till en miljökostnad – koldioxidutsläpp, säger Jiao.

Detta fick Jiao att tänka på renare sätt att producera väte utan miljökostnader.

Rengöringsmedel, grönare processer

Koppar är känt för att vara bra på att leda både värme och el. Det är därför det är det valda materialet för elektriska ledningar i våra hem, köksredskap, elektronik, delar till motorfordon, även delar för luftkonditionering och hemuppvärmning.

Dock, koppar ensamt är inte effektivt för att producera väte. Men lägg till lite intressant kemi - och lite titan - och en värld av möjligheter öppnar sig plötsligt för att skapa katalysatorer som drar deras vikt och tjänar miljön.

"Med lite titan i, the copper catalyst behaves about 100 times better than copper alone, " said Jiao. This is because, when paired together, the two metals create uniquely active sites that help the hydrogen atoms strongly interact with the catalyst surface in a way that is comparable to the performance of much more expensive platinum-based catalysts.

While traditional chemical processes start with fossil fuels, such as coal or gas, and add oxygen to produce various chemicals, Jiao explained, with hydrogen the reverse chemical reaction is possible.

"We can start with the most oxidized form of carbon—carbon dioxide—and add hydrogen to produce the same chemicals, which has a lot of potential for reducing carbon emissions, " sa Jiao, who spoke at a U.S. Senate Committee hearing on carbon capture and neutralization in 2018.

The Jiao team performs a life cycle analysis on each process they invent to evaluate the economics of how the technology stacks up against currently accepted methods. They ask themselves questions such as "Is the invention cost-effective? Is it better or worse than existing technology, and how much can be gained by using the process?"

Early results show that a copper-titanium catalyst can produce hydrogen energy from water at a rate more than two times higher than the current state-of-the-art platinum catalyst. Jiao's electrochemical process can operate at near-room temperatures (70 to 176 degrees Fahrenheit), för det mesta, för, which increases the catalyst's energy efficiency and can greatly lower the overall capital cost of the system.

Jiao already has filed a patent application on the process with the help of UD's Office of Economic Innovation and Partnerships (OEIP), but he said more work is needed in terms of scaling the process for commercial applications. If they can make it work, the savings would be big—an alternative catalyst that is three orders of magnitude cheaper than the current state-of-the-art platinum-based catalyst.

Future development efforts will focus on ways to increase the size of the water electrolyzer from lab scale to commercial scale. Additional testing of the catalyst's stability also is planned. The researchers are exploring different combinations of metals, för, to find the sweet spot between performance and cost.

"Once you have the technology, you can create jobs around material supply, manufacturing, and once you can build a product, you can commercialize and export it, sa Jiao.

Feng Jiao and colleagues from Columbia University and Xi'an Jiaotong University recently reported their latest findings in an article in ACS-katalys , a journal of the American Chemical Society. His colleague at Columbia University is Jingguang Chen, a former professor in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering.