Ett team av forskare ledda av Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har upptäckt parametrarna som bestämmer effektiviteten hos en klass lågkostnadskatalysatorer som kallas spineloxider - en upptäckt som bryter en flaskhals i utvinningen av väte från vatten genom elektrolys, processen att klyva vatten med el.

En stor utmaning för denna process ligger i energiförlusten när de kemiska reaktionerna som är involverade i vattenelektrolys äger rum, driva upp kostnaden för att producera väte genom denna metod. Katalysatorer är därför nödvändiga för att påskynda dessa kemiska reaktioner.

Spineloxider, som vanligtvis är gjorda av billiga övergångsmetaller, har rönt intresse de senaste åren som stall, lågkostnadskatalysator som kan övervinna denna utmaning, men utformningen av högpresterande spinelloxider har hämmats av bristen på förståelse för hur de fungerar.

Nu, NTU Singapores docent Jason Xu Zhichuan och hans team har gjort två viktiga framsteg. De har lösts upp, på atomär skala, hur spinelloxider fungerar för att påskynda vattenelektrolys. Förberedd med den nya förståelsen, laget använde sedan maskininlärning för att välja nya spinelloxider med ökad katalytisk aktivitet, göra vattenelektrolys mer effektiv.

Dessa fynd tar teamet ett steg närmare att göra vattenklyvning till en lämplig metod för storskalig tillverkning av vätgas, som har lyfts fram av Energy Market Authority som ett möjligt alternativ med låga koldioxidutsläpp för att minska Singapores koldioxidavtryck eftersom målet är att halvera sina maximala utsläpp av växthusgaser till 2050. Detta är i linje med globala trender – Europeiska unionen, till exempel, presenterade nyligen sin vätgasstrategi som en viktig del av lösningen för att uppfylla 2050 års klimatneutralitetsmål i den europeiska gröna avtalen.

Docent Xu vid NTU School of Materials Sciences and Engineering sa:"För att förbättra prestandan hos spinelloxider, vi behöver en djupare förståelse för hur de fungerar som katalysatorer för att göra vattenelektrolys mer effektiv. Nu, genom att identifiera parametrarna som gör spineloxider till bra katalysatorer för denna process, vi kan skapa nya, bättre spinelloxider baserat på dessa parametrar, för oss ett steg närmare en vätgasdriven ekonomi."

Resultaten publicerades i vetenskaplig tidskrift Naturkatalys i juli.

Ett steg närmare en vätgasdriven ekonomi

Extrahera väte från vattenelektrolys, när den drivs av förnybara energikällor som vind- eller solenergi, är ett attraktivt sätt att producera vätebränsle, som har potential att ersätta fossila bränslen som används i kraftverk, transport, och bunkringsprocessen.

Väte är också attraktivt som ett lönsamt alternativ till traditionella energilagringsalternativ som litiumjonbatterier, som gradvis förlorar sin laddning med tiden.

Vattenelektrolysprocessen sker i en elektrolysator, där två huvudsakliga kemiska reaktioner äger rum när vatten delas:en resulterar i väteproduktion, medan den andra leder till syreproduktion, och de två gaserna hålls åtskilda av ett membran.

Assoc Prof Xu, som också ingår i NTU:s Energiforskningsinstitut, sa att den huvudsakliga flaskhalsen ligger i den kemiska reaktionen som leder till syregenerering från andra sidan, känd som syrerevolutionsreaktionen.

Han sa:"Syrgasevolutionsreaktionen är avgörande för effektiviteten hos enheter som delar vatten för att producera vätebränsle, men det är också en trög kemisk reaktion som sänker den totala energiomvandlingseffektiviteten. Det är därför vi behöver katalysatorer som metalloxider för att påskynda saker."

Även om ädelmetalloxider har visat sig vara toppmoderna katalysatorer som minskar energiförbrukningen och förbättrar energiomvandlingseffektiviteten, deras brist, höga kostnader och dålig hållbarhet har begränsat deras tillämpning i stor skala.

Spineloxider, med sin låga kostnad och tillgänglighet i överflöd, skulle kunna bli ett gångbart alternativ om de utformades med rätt parametrar, såsom typen av övergångsmetall i spinelloxiden, för att öka katalytisk aktivitet, sa Assoc Prof Xu.

Baserat på nyckelparametrar som teamet hade identifierat, teamet tränade en maskininlärningsmodell med en datauppsättning på över 300 spinelloxider för att screena och förutsäga effektiviteten hos vilken spineloxidkatalysator som helst på några sekunder.

Med denna metod, teamet fann att en ny oxid bestående av mangan och aluminium förutspåddes visa överlägsen katalytisk aktivitet. Detta validerades experimentellt.

Assoc Prof Xu sa:"Medan förmågan att designa högeffektiva katalysatorer kraftigt driver tekniken för vattenelektrolys vid väteproduktion framåt, det finns två andra stora flaskhalsar som vi måste titta på innan en bred användning av denna teknik är möjlig. För det första, vi måste förbättra membranet i sådana alkaliska elektrolysörer för att stödja långsiktig väteproduktion. När det är gjort, sedan kan vi arbeta med våra ingenjörskollegor för att se hur vi kan lägga alla dessa uppgraderingar i en elektrolysör som kan fungera på industriell nivå."