Effektivt massproducerande väte från vatten är närmare att bli verklighet tack vare forskare och samarbetspartners vid Oregon State University College of Engineering vid Cornell University och Argonne National Laboratory.

Forskarna använde avancerade experimentella verktyg för att skapa en tydligare förståelse av en elektrokemisk katalytisk process som är renare och mer hållbar än att härleda väte från naturgas.

Fynd publicerades idag i Vetenskapliga framsteg .

Väte finns i en mängd olika föreningar på jorden, oftast kombineras med syre för att göra vatten, och den har många vetenskapliga, industriella och energirelaterade roller. Det förekommer också i form av kolväten, föreningar som består av väte och kol, såsom metan, huvudkomponenten i naturgas.

"Väteproduktionen är viktig för många aspekter av vårt liv, såsom bränsleceller för bilar och tillverkning av många användbara kemikalier som ammoniak, "sa Oregon State's Zhenxing Feng, en kemiteknisk professor som ledde studien. "Det används också vid raffinering av metaller, för tillverkning av konstgjorda material som plast och för en rad andra ändamål. "

Enligt energidepartementet, USA producerar det mesta av sitt väte från en metankälla som naturgas via en teknik som kallas ång-metanreformering. Processen innebär att metan utsätts för ånga under tryck i närvaro av en katalysator, skapa en reaktion som producerar väte och kolmonoxid, samt en liten mängd koldioxid.

Nästa steg kallas vatten-gas-skiftreaktionen där kolmonoxid och ånga reageras via en annan katalysator, gör koldioxid och ytterligare väte. I det sista steget, adsorption av trycksvängning, koldioxid och andra föroreningar avlägsnas, lämnar rent väte.

"Jämfört med naturgasreform, användningen av el från förnybara källor för att klyva vatten för väte är renare och mer hållbar, "Sa Feng." Men effektiviteten hos vattensplittring är låg, främst på grund av den höga överpotentialen-skillnaden mellan den faktiska potentialen och den teoretiska potentialen för en elektrokemisk reaktion-för en nyckelhalvereaktion i processen, syreutvecklingsreaktionen eller OER. "

En halvreaktion är endera av de två delarna av en redox, eller reduktion-oxidation, reaktion där elektroner överförs mellan två reaktanter; reduktion avser att få elektroner, oxidation betyder att man tappar elektroner.

Begreppet halvreaktioner används ofta för att beskriva vad som händer i en elektrokemisk cell, och halvreaktioner används vanligtvis som ett sätt att balansera redoxreaktioner. Överpotential är marginalen mellan den teoretiska spänningen och den faktiska spänning som är nödvändig för att orsaka elektrolys - en kemisk reaktion som drivs av applicering av elektrisk ström.

"Elektrokatalysatorer är avgörande för att främja vattensplittrande reaktion genom att sänka överpotentialen, men att utveckla högpresterande elektrokatalysatorer är långt ifrån enkelt, "Feng sa." Ett av de största hindren är bristen på information om elektrokatalysatorernas struktur under den elektrokemiska operationen. Att förstå elektrokatalysatorens strukturella och kemiska utveckling under OER är avgörande för att utveckla högkvalitativa elektrokatalysatormaterial och, i tur och ordning, energihållbarhet. "

Feng och medarbetare använde en uppsättning avancerade karaktäriseringsverktyg för att studera den atomära strukturella utvecklingen av en toppmodern OER-elektrokatalysator, strontiumiridat (SrIrO ₃ ), i sur elektrolyt.

"Vi ville förstå ursprunget till dess rekordhöga aktivitet för OER-1, 000 gånger högre än den vanliga kommersiella katalysatorn, iridiumoxid, "Feng sa." Använda synkrotronbaserade röntgenanläggningar vid Argonne och labbaserade röntgenfotoelektronspektroskopi vid Northwest Nanotechnology Infrastructure-platsen vid OSU, vi observerade ytkemisk och kristallin-till-amorf transformation av SrIrO ₃ under OER. "

Observationerna ledde till en djup förståelse för vad som hände bakom strontium iridats förmåga att fungera så bra som katalysator.

"Vår detaljerade, fynd i atomskala förklarar hur det aktiva strontiumiridatskiktet bildas på strontiumiridat och pekar på den kritiska rollen för gitterets syreaktivering och kopplad jondiffusion vid bildandet av de aktiva OER-enheterna, " han sa.

Feng tillade att arbetet ger insikt i hur tillämpad potential underlättar bildandet av de funktionella amorfa skikten vid det elektrokemiska gränssnittet och leder till möjligheter för design av bättre katalysatorer.