När väte förbrukas i en bränslecell, som tar vattenmolekylen H ₂ O och separerar det i syre och väte, en process som kallas elektrolys, den producerar bara vatten, el och värme. Som en koldioxidfri energikälla, räckvidden för dess potentiella användning är obegränsad inom transport, kommersiell, industriell, bostäder och bärbara applikationer.

Medan traditionella väteproduktionsprocesser krävde fossila bränslen eller CO ₂ , elektrolys producerar "grönt väte" från vattenmolekyler. Eftersom vatten inte kan delas upp i väte och syre av sig självt, den elektrokemiska omvandlingen av väte-vatten kräver högaktiva elektrokatalysatorer. Den konventionella vattenelektrolysen, dock, står inför tekniska utmaningar för att förbättra effektiviteten av vattenuppdelningsreaktionen för den tröga syreutvecklingsreaktionen. Ädelmetallbaserad ruteniumoxid (RuO ₂ ) och iridiumoxid (IrO ₂ ) används för att öka syregenereringshastigheten. Dock, dessa ädelmetallkatalysatorer är dyra och uppvisar dålig stabilitet under långvarig drift.

Leds av biträdande direktör LEE Hyoyoung vid Center for Integrated Nanostructure Physics inom Institute for Basic Science (IBS) vid Sungkyunkwan University, IBS forskarteam utvecklade en mycket effektiv och långvarig elektrokatalysator för vattenoxidation med hjälp av kobolt, järn och en minimal mängd rutenium.

"Vi använde amfifila blocksampolymerer för att kontrollera elektrostatisk attraktion i vår enkla rutenium (Ru) atom-bimetalllegering. Sampolymererna underlättar syntesen av sfäriska kluster av kolvätemolekyler vars lösliga och olösliga segment bildar kärnan och skalet. I denna studie, deras tendens till en unik kemisk struktur möjliggör syntes av den högpresterande enatomära Ru-legeringen som finns på toppen av den stabila koboltjärn (Co-Fe) metalliska kompositen omgiven av porösa, defekt och grafitiskt kolskal, " säger LEE Jinsun och Kumar Ashwani, de första författarna till studien.

"Vi var mycket glada över att upptäcka att föradsorberat ytsyre på Co-Fe-legeringsytan, absorberas under syntesprocessen, stabiliserar en av de viktiga mellanprodukterna (OOH) under syregenereringsreaktionen, öka den totala effektiviteten av den katalytiska reaktionen. Det förabsorberade ytsyren har varit av litet intresse tills vi upptäckte, " säger Associate Director Lee, motsvarande författare till studien. Forskarna fann att fyra timmars glödgning vid 750 grader C i en argonatmosfär är det lämpligaste villkoret för syregenereringsprocessen. Förutom den reaktionsvänliga miljön på värdmetallytan, den enda Ru-atomen, där syrebildning sker, fyller också sin roll genom att sänka energibarriären, synergistiskt förbättra effektiviteten av syreutveckling.

Forskargruppen utvärderade den katalytiska effektiviteten med de överspänningsmått som behövs för syreutvecklingsreaktionen. Den avancerade ädla elektrokatalysatorn krävde endast 180 mV (millivolt) överspänning för att uppnå en strömtäthet på 10 mA (milliampere) per cm ² av katalysator, medan ruteniumoxid behövde 298 mV. Dessutom, den enda Ru-atom-bimetalllegeringen visade långtidsstabilitet i 100 timmar utan någon förändring av strukturen. Vidare, kobolt- och järnlegeringen med grafitkol kompenserade också elektrisk ledningsförmåga och ökade syreutvecklingshastigheten.

Biträdande direktör Lee säger, "Denna studie tar oss ett steg närmare ett kolfritt, grön väteekonomi. Denna mycket effektiva och billiga syregenererande elektrokatalysator kommer att hjälpa oss att övervinna de långsiktiga utmaningarna i raffineringsprocessen för fossila bränslen:att producera högrent väte för kommersiella tillämpningar till ett lågt pris och på ett miljövänligt sätt."

Studien publicerades online den 4 november i tidskriften Energi- och miljövetenskap .