En ny ruteniumbaserad katalysator utvecklad vid UC Santa Cruz har visat markant bättre prestanda än kommersiella platinakatalysatorer vid alkaliskt vattenelektrolys för väteproduktion. Katalysatorn är ett nanostrukturerat kompositmaterial som består av kolnanotrådar med ruteniumatomer bundna till kväve och kol för att bilda aktiva platser i kolmatrisen.

Den elektrokemiska klyvningen av vatten för att producera väte är ett avgörande steg i utvecklingen av väte som ett rent, miljövänligt bränsle. Mycket av ansträngningarna att minska kostnaderna och öka effektiviteten i denna process har fokuserat på att hitta alternativ till dyra platinabaserade katalysatorer.

På UC Santa Cruz, forskare under ledning av Shaowei Chen, professor i kemi och biokemi, har undersökt katalysatorer gjorda genom att införliva rutenium och kväve i kolbaserade nanokompositmaterial. Deras nya fynd, publicerad 7 februari i Naturkommunikation , inte bara demonstrera den imponerande prestandan hos deras ruteniumbaserade katalysator utan ger också insikter om de involverade mekanismerna, vilket kan leda till ytterligare förbättringar.

"Detta är en tydlig demonstration av att rutenium kan ha en anmärkningsvärd aktivitet för att katalysera produktionen av väte från vatten, "Sa Chen." Vi präglade också materialet i atomskala, som hjälpte oss att förstå mekanismerna, och vi kan använda dessa resultat för rationell design och konstruktion av ruteniumbaserade katalysatorer. "

Elektronmikroskopi och grundläggande kartläggningsanalys av materialet visade ruteniumnanopartiklar samt individuella ruteniumatomer i kolmatrisen. Förvånande, forskarna fann att de viktigaste platserna för katalytisk aktivitet var enstaka ruteniumatomer snarare än ruteniumnanopartiklar.

"Det var ett genombrott, eftersom många studier har tillskrivit den katalytiska aktiviteten till ruteniumnanopartiklar. Vi fann att enstaka atomer är de dominerande aktiva platserna, även om både nanopartiklar och enstaka atomer bidrar till aktiviteten, "sa förste författaren Bingzhang Lu, en doktorand i Chens laboratorium vid UC Santa Cruz.

Lu arbetade med medförfattaren Yuan Ping, biträdande professor i kemi och biokemi, att göra teoretiska beräkningar som visar varför rutenium enstaka atomer är mer aktiva katalytiska centra än rutenium nanopartiklar.

"Vi gjorde oberoende beräkningar från de första principerna för att visa hur rutenium bildar bindningar med kol och kväve i detta material och hur detta sänker reaktionsbarriären för att ge bättre katalytisk aktivitet, "Sa Ping.

Chen sa att han har lämnat in en patentansökan för den experimentella beredningen av ruteniumbaserade katalysatorer. Han noterade att förutom potentiella applikationer för väteproduktion som en del av hållbara energisystem, alkaliskt vattenelektrolys används redan i stor utsträckning i den kemiska industrin, liksom en relaterad process som kallas klor-alkali-elektrolys för vilken ruteniumkatalysatorn också kan användas. Således finns det redan en stor marknad för billigare, effektivare katalysatorer.

Elektrolysen av vatten för att producera väte kan utföras antingen surt eller alkaliskt, och varje metod har fördelar och nackdelar. Platinumkatalysatorer är mycket effektivare i sura medier än i alkaliska medier. De ruteniumbaserade katalysatorerna fungerar nästan lika bra som platina i sura medier, medan den överträffar platina i alkaliska medier, Sa Chen.

I framtida arbete, forskarna kommer att försöka maximera antalet aktiva platser i materialet. De kan också undersöka användningen av andra metaller i samma nanokompositplattform, han sa.