El kan genereras av förnybara källor som solljus och vind, användes sedan för att klyva vatten, som gör väte som bränsle för nya energienheter som bränsleceller. Eftersom väte är ett rent bränsle, forskare lägger mycket kraft på att utveckla vattenuppdelande katalysatorer, som är väsentliga för reaktionens energieffektivitet.

Fokus ligger mest på den så kallade oxygenevolution-reaktionen (OER), vilket är utan tvekan den mest utmanande processen vid vattenklyvning. Efter många år av intensiv forskning, nickel-järnoxid är nu etablerad som katalysator för OER under alkaliska förhållanden på grund av dess höga aktivitet och jord-rik sammansättning, och även för att den har den högsta aktiviteten per reaktionsställe bland alla metalloxider.

För ungefär tre år sedan, forskare med labbet av Xile Hu vid EPFL upptäckte en annan katalysator som var betydligt mer aktiv än nickel-järnoxid, även om den hade en liknande sammansättning. Den är robust, lätt att syntetisera, och öppen för industriella tillämpningar.

Upptäckten leddes av Fang Song, en postdoc i Hus grupp som sedan dess har kommit till fakulteten vid Shanghai Jiaotong University i Kina. Genom att inse dess tekniska potential, Hu, Låt, och deras kollega Elitsa Petkucheva började testa katalysatorn i ett proof-of-concept-projekt. Katalysatorn möjliggjorde en effektiv elektrolysator som kunde arbeta under industriella förhållanden samtidigt som den krävde 200 mV mindre spänning.

Men den nya katalysatorn var också okonventionell när det gäller kemi. "Vi hade ingen aning om varför katalysatorn skulle vara så aktiv, säger Hu. Så hans team vände sig till gruppen Clemence Corminboeuf på EPFL för att få hjälp. Michael Busch, Corminboeuf använde densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar för att söka efter möjliga teoretiska förklaringar. DFT är en beräkning, kvantmekanisk metod som modellerar och studerar strukturen hos många kroppssystem, t.ex. atomer, och molekyler.

Resultatet var radikalt:Den nya katalysatorns höga aktivitet härrör från en samverkande verkan av två fasseparerade komponenter av järn- och nickeloxider, som övervann en tidigare identifierad begränsning av konventionella metalloxider där reaktionen inträffade lokalt på endast en enda metallplats. De kallade det den bifunktionella mekanismen.

Medan den DFT-härledda mekanismen var hypotetisk, den vägledde experimentella studier av aktiviteten och egenskaperna hos katalysatorn med Benedikt Lassalle-Kaiser vid Synchrotron SOLEIL i Frankrike. Med hjälp av röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS), arbetet avslöjade bevis på två fasseparerade järn- och nickeloxider i katalysatorn. Men eftersom katalysatorer kan genomgå sammansättnings- och strukturella förändringar under katalys, det blev nödvändigt att studera katalysatorn i drift med XAS.

I en omfattande operando XAS-studie, Chen och hans doktorand, Chia-Shuo Hsu, avslöjade en unik struktur hos katalysatorn - den är gjord av nanokluster av γ-FeOOH kovalent kopplad till ett γ-NiOOH-stöd, vilket gör den till en järn-nickeloxidkatalysator, i motsats till den konventionella nickel-järnoxiden. Även om det inte är ett direkt bevis, denna struktur är kompatibel med den DFT-föreslagna bifunktionella mekanismen.

"Detta är en verkligt tvärvetenskaplig studie som involverar många fruktbara samarbeten, " säger Hu. "De grundläggande studierna ger inte bara insikter i strukturen och aktiviteten hos denna okonventionella katalysator, men också leda till en tankeväckande mekanistisk hypotes."