Väte, det mest förekommande elementet i universum, ger ett kraftfullt slag. Och eftersom det inte innehåller något kol, den producerar bara vatten när den används som bränsle. Men på jorden, väte finns oftast i kombination med andra grundämnen, vilket betyder att det måste extraheras.

För att utnyttja vätets rena kraft för energitillämpningar och annan användning, forskare tittar på överkomliga sätt att producera och lagra väte.

Ny forskning från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) visar att ett par ödmjuka mineraler överglänser andra ädelmetallmaterial när det gäller att producera väte. Med medarbetare från Oregon State University (OSU), forskarna testade en molybden-fosfid (MoP) katalysator med avloppsvatten i en liten reaktor som kallas en mikrobiell elektrolyscell (MEC). Testresultat visade att MoP fungerade bättre än platina, en dyrbar och dyr metall som vanligtvis används för sin höga katalytiska prestanda. MoP-katalysatorn producerade också väte fem gånger så snabbt som andra icke-platinakatalysatorer som rapporterats i relaterade studier.

Men den riktiga kickern? Deras katalysator fungerade också bra med havsvatten.

"Om du kan producera väte från havsvatten, resurspoolen är i stort sett obegränsad, sa Yuyan Shao, en materialvetare vid PNNL som ledde katalysatorforskningen.

Som havsvatten, MoP-katalysatormaterialet är allmänt tillgängligt, och därför, billig. Katalysatorn fungerade även med avloppsvatten, en annan allestädes närvarande resurs.

Detaljer om lagets studie visas i journalen ACS-katalys . Resultaten härrör från ett treårigt projekt finansierat av Department of Energy's Fuel Cell Technologies Office.

Ett bättre alternativ

En av de vanligaste metoderna för att framställa väte är en process som kallas elektrolys. Denna process kombinerar elektricitet med olika kemikalier, kallas elektrolyter, och ett fast katalysatormaterial. Den efterföljande reaktionen producerar väte, men hela processen använder mycket energi och kostsamma resurser som platina.

Jäsning med förnybara källor eller avfallsströmmar lovar prisvärd väteproduktion. Men jäsningsprocessen fungerar långsamt, avkastningen är låg, och produktströmmen kräver dyr rengöring på grund av andra biprodukter från jäsning. I MEC, en elektrisk ström kopplas till bakterier för att bryta ner organiska ämnen och göra väte. Tyvärr, cellerna använder också dyr platina för reaktionsytan, och om icke-platinakatalysatorer används, väteutbytena förblir låga.

På OSU, Forskare utvecklade en hybrid MEC-design där jäsning och elektrolys sker i en enda kruka i motsats till separata steg, och biprodukterna konsumeras direkt i processen. Denna integrerade design ökar produktiviteten och sänker utrustningskostnaderna. Men med de höga kostnaderna för platina, teamet behövde en katalysator som kunde sänka produktionskostnaderna till cirka två dollar per kilo väte.

Andra fasens överraskning

Bygger på tidigare upptäckter med MoP-katalysatorn, PNNL-forskare undersökte katalysatorn för användning i MEC. Forskargruppen började med MoP-kombinationen på grund av dess affinitet för att aktivera, eller separera, vattenmolekyler. Katalysatorn är också inställbar - mängden av varje mineral kan justeras. Enligt teamets hypotes, denna inställning skulle optimera mängden väte som produceras i en enda reaktion.

De hade delvis rätt.

Under ett kraftfullt mikroskop, de fann att katalysatorn samlades till en blandning av två distinkta kristallfaser - MoP och MoP ₂ . Atomstrukturen för varje fas var olika, leder till olika reaktioner. Medan MoP2 frigjorde väteatomer från vattenmolekylerna, MoP omvandlade väteatomerna till vätgasmolekyler. De två aktiva platserna ökade den totala reaktionen.

"Vi förväntade oss inte den samtidiga bildningen av de två kristallfaserna, "Sade Shao. "De två faserna fungerar mycket bättre än enfaserna."

Forskarna körde sina experiment under neutrala pH-förhållanden i både hybridcellen vid OSU med avloppsvatten och i en annan reaktor vid PNNL med havsvatten, med konsekventa resultat. Shao sa att dessa fynd ger forskarna förtroende för att metoden är sund, eliminerar platina och andra biprodukter, och har ett stort löfte för att utveckla väte- och bränslecellsteknologier.