Kemister från University of Oregon har gjort betydande vinster i att förbättra den katalytiska vattendissociationsreaktionen i elektrokemiska reaktorer, kallade bipolära membranelektrolysörer, för att mer effektivt riva isär vattenmolekyler till positivt laddade protoner och negativt laddade hydroxidjoner.

Upptäckten, publicerad online före tryckning i tidskriften Vetenskap , tillhandahåller en färdplan för att förverkliga elektrokemiska enheter som drar nytta av nyckelegenskapen hos bipolära membranfunktioner – att generera protoner och hydroxidjoner inuti enheten och leverera jonerna direkt till elektroderna för att producera de slutliga kemiska produkterna.

Tekniken bakom bipolära membran, som är skiktade jonbytespolymerer som klibbar in ett vattendissociationskatalysatorskikt, uppstod på 1950-talet. Även om de har använts industriellt i liten skala, deras prestanda är för närvarande begränsad till drift med låg strömtäthet, vilket hämmar bredare tillämpningar.

Bland dem finns enheter för att producera vätgas från vatten och elektricitet, fånga upp koldioxid från havsvatten, och göra kolbaserade bränslen direkt från koldioxid, sa medförfattaren Shannon W. Boettcher, en professor vid UO:s institution för kemi och biokemi och grundare av Oregon Center for Electrochemistry,

"Jag misstänker att våra fynd kommer att påskynda en återuppgång i utvecklingen av bipolära membranenheter och forskning om grunderna för vattendissociationsreaktionen, sa Boettcher, som också är medlem i Materials Science Institute och associerad vid UO:s Phil and Penny Knight Campus for Accelerating Scientific Impact.

"Prestandan vi visade är tillräckligt hög, " sa han. "Om vi ​​kan förbättra hållbarheten och tillverka de bipolära membranen med våra industripartners, det borde finnas viktiga omedelbara tillämpningar. "

Vanligtvis, vattenbaserade elektrokemiska apparater som batterier, bränsleceller och elektrolysatorer arbetar vid ett enda pH över hela systemet – dvs. systemet är antingen surt eller basiskt, sa studiens huvudförfattare Sebastian Z. Oener, en postdoktor som stöds av ett stipendium från en tysk forskningsstiftelse i Boettchers labb.

"Ofta, detta leder antingen till att dyra ädelmetaller används för att katalysera elektrodereaktioner, som iridium, en av de sällsynta metallerna på jorden, eller offra katalysatoraktivitet, som, i tur och ordning, ökar den erforderliga energitillförseln av den elektrokemiska reaktorn, ", sade Oener. "Ett bipolärt membran kan övervinna denna kompromiss genom att driva varje elektrokatalysator lokalt i dess idealiska pH-miljö. Detta ökar andningen i stall, jordrik katalysatortillgänglighet för varje halvreaktion."

Teamet med tre personer, som också inkluderade doktoranden Marc J. Foster, använde ett membran-elektrodaggregat där det bipolära polymermembranet komprimeras mellan två styva porösa elektroder. Detta tillvägagångssätt gjorde det möjligt för dem att tillverka ett stort antal bipolära membran med olika vattendissociationskatalysatorlager och noggrant mäta aktiviteten för varje.

Teamet fann att den exakta positionen för varje katalysatorskikt inuti den bipolära membranövergången - gränsytan mellan ett hydroxidledande skikt och det protonledande skiktet i det bipolära membranet - påverkar katalysatoraktiviteten dramatiskt. Detta gjorde det möjligt för dem att använda katalysatorbislag för att realisera rekordpresterande bipolära membran som väsentligen dissocierar vatten med försumbar förlorad extra energitillförsel.

"Den största överraskningen var insikten att prestandan kunde förbättras avsevärt genom att lägga olika typer av katalysatorer ovanpå varandra, " Sa Boettcher. "Det här är enkelt men hade inte utforskats helt."

Ett andra nyckelfynd, Oener sa, är att vattendissociationsreaktionen som sker inuti det bipolära membranet är fundamentalt relaterad till den som sker på elektrokatalysatorytor, som när protoner extraheras direkt från vattenmolekyler när man gör vätebränsle under grundläggande pH-förhållanden.

"Detta är unikt eftersom det inte tidigare har varit möjligt att separera de enskilda stegen som uppstår under en elektrokemisk reaktion, " sa Oener. "De är alla länkade, involverar elektroner och intermediärer, och fortsätt snabbt i serie. Den bipolära membranarkitekturen gör att vi kan isolera det kemiska steget för vattendissociation och studera det isolerat. "

Det fyndet, han sa, kan också leda till förbättrade elektrokatalysatorer för reaktioner som direkt gör reducerade bränslen från vatten, som att göra vätgas eller flytande bränsle av avfallskoldioxid.

Upptäckterna, Boettcher sa, tillhandahålla en preliminär mekanistisk modell, en som skulle kunna öppna upp området och motivera många fler studier.

"Vi är glada över att se forskarsamhällets svar och se om dessa resultat kan översättas till produkter som minskar samhällets beroende av fossila bränslen, " han sa.