Den framtida ekonomin baserad på förnybara och hållbara energikällor kan använda batteridrivna bilar, storskaliga sol- och vindkraftparker, och energireserver lagrade i batterier och kemiska bränslen. Även om det redan finns exempel på hållbara energikällor som används, vetenskapliga och tekniska genombrott kommer att avgöra tidslinjen för utbredd adoption.

Ett föreslaget paradigm för att gå bort från fossila bränslen är väteekonomin, där vätgas driver samhällets elbehov. För att massproducera vätgas, vissa forskare studerar processen med att klyva vatten - två väteatomer och en syreatom - vilket skulle resultera i vätebränsle och andningsbar syrgas.

Feng Lin, en biträdande professor i kemi vid Virginia Tech College of Science, fokuserar på energilagring och konverteringsforskning. Detta arbete är en del av en ny studie som publicerats i tidskriften Naturkatalys som löser en nyckel, grundläggande barriär i den elektrokemiska vattensplittprocessen där Lin Lab demonstrerar en ny teknik för att återmontera, återuppliva, och återanvända en katalysator som möjliggör energieffektiv vattenspridning. Chunguang Kuai, en tidigare doktorand hos Lin, är första författare till studien med Lin och medförfattare kemi doktorander Zhengrui Xu, Anyang Hu, och Zhijie Yang.

Kärnidén med denna studie går tillbaka till ett ämne i allmänna kemiklasser:katalysatorer. Dessa ämnen ökar reaktionshastigheten utan att konsumeras i den kemiska processen. Ett sätt en katalysator ökar reaktionshastigheten är genom att minska mängden energi som behövs för att reaktionen ska börja.

Vatten kan verka grundläggande som en molekyl som består av bara tre atomer, men processen att dela upp det är ganska svårt. Men Lins labb har gjort det. Även att flytta en elektron från en stabil atom kan vara energikrävande, men denna reaktion kräver överföring av fyra för att oxidera syre för att producera syrgas.

"I en elektrokemisk cell, överföringsprocessen med fyra elektroner kommer att göra reaktionen ganska trög, och vi måste ha en högre elektrokemisk nivå för att få det att hända, " sa Lin. "Med en högre energi som behövs för att dela vatten, den långsiktiga effektiviteten och katalysatorstabiliteten blir viktiga utmaningar."

För att möta det höga energibehovet, Lin Lab introducerar en vanlig katalysator som kallas blandad nickeljärnhydroxid (MNF) för att sänka tröskeln. Vattenspjälkningsreaktioner med MNF fungerar bra, men på grund av den höga reaktiviteten hos MNF, den har en kort livslängd och den katalytiska prestandan minskar snabbt.

Lin och hans team upptäckte en ny teknik som skulle möjliggöra periodisk återmontering till MNF:s ursprungliga tillstånd, vilket gör att processen med att klyva vatten kan fortsätta. (Teamet använde färskvatten i sina experiment, men Lin föreslår att saltvatten - den vanligaste formen av vatten på jorden - också kan fungera.)

MNF har en lång historia med energistudier. När Thomas Edison pysslade med batterier för mer än ett sekel sedan, han använde också samma nickel- och järnelement i nickelhydroxidbaserade batterier. Edison observerade bildandet av syrgas i sina nickelhydroxid -experiment, vilket är dåligt för ett batteri, men vid vattenklyvning, produktion av syrgas är målet.

"Forskare har länge insett att tillsatsen av järn i nickelhydroxidgittret är nyckeln till reaktivitetsförbättringen av vattenspjälkning." Sa Kuai. "Men under de katalytiska förhållandena, strukturen hos den fördesignade MNF är mycket dynamisk på grund av den mycket korrosiva miljön i den elektrolytiska lösningen. "

Under Lins experiment, MNF bryts ned från en fast form till metalljoner i den elektrolytiska lösningen - en viktig begränsning för denna process. Men Lins team observerade att när den elektrokemiska cellen vänder från toppen, elektrokatalytisk potential till en låg, minska potentialen, bara under en period av två minuter, de lösta metalljonerna återmonteras till den idealiska MNF -katalysatorn. Detta sker på grund av en omvändning av pH -gradienten inom gränssnittet mellan katalysatorn och den elektrolytiska lösningen.

"Under den låga potentialen i två minuter, vi visade att vi inte bara får nickel och järnjoner avsatta tillbaka i elektroden, men blandar dem mycket väl och skapar mycket aktiva katalytiska platser, "Sa Lin." Det här är verkligen spännande, för att vi bygger om de katalytiska materialen i atomlängdsskala inom några få nano-meter elektrokemiska gränssnitt. "

En annan anledning till att reformeringen fungerar så bra är att Lin Lab syntetiserade nya MNF som tunna ark som är lättare att sätta ihop igen än ett bulkmaterial.

Validera fynd genom röntgen

För att bekräfta dessa fynd, Lins team genomförde synkrotronröntgenmätningar vid Advanced Photon Source of Argonne National Laboratory och vid Stanford Synchrotron Radiation Lightsource vid SLAC National Accelerator Laboratory. Dessa mätningar använder samma grundförutsättningar som den vanliga sjukhusröntgen men i mycket större skala.

"Vi ville observera vad som hade hänt under hela processen, "Kuai sa." Vi kan använda röntgenbilder för att bokstavligen se upplösningen och omplaceringen av dessa metalljärn för att ge en grundläggande bild av de kemiska reaktionerna. "

Synkrotronanläggningar kräver en massiv slinga, liknande storleken på Drillfield vid Virginia Tech, som kan utföra röntgenspektroskopi och avbildning vid höga hastigheter. Detta ger Lin höga datamängder under de katalytiska driftsförhållandena. Studien ger också inblick i en rad andra viktiga elektrokemiska energivetenskaper, såsom kvävereduktion, minskning av koldioxid, och zink-luftbatterier.

"Utöver bildbehandling, otaliga röntgenspektroskopiska mätningar har gjort det möjligt för oss att studera hur enskilda metalljoner går samman och bildar kluster med olika kemiska sammansättningar, ", sa Lin. "Detta har verkligen öppnat dörren för att undersöka elektrokemiska reaktioner i verkliga kemiska reaktionsmiljöer."