Forskare har hittat ett sätt att omvandla metallavfall till en mycket effektiv katalysator för att göra väte från vatten, en upptäckt som kan göra väteproduktionen mer hållbar.
Ett team av forskare från University of Nottinghams School of Chemistry och Faculty of Engineering har funnit att ytan på spån, en biprodukt från metallbearbetningsindustrin, är strukturerad med små steg och spår på nanoskalanivå. Dessa texturer kan förankra atomer av platina eller kobolt, vilket leder till en effektiv elektrokatalysator som kan dela vatten till väte och syre. Forskningen har publicerats i Journal of Material Chemistry A .
Väte är ett rent bränsle som kan användas för att generera värme eller driva fordon, och den enda biprodukten av dess förbränning är vattenånga. De flesta metoder för väteproduktion är dock beroende av råmaterial från fossila bränslen. Elektrolys av vatten är en av de mest lovande gröna vägarna för väteproduktion, eftersom den bara kräver vatten och elektricitet.
Industrin står inför en utmaning med vattenelektrolys, eftersom denna process kräver sällsynta och dyra element som platina för att katalysera vattenklyvningen. Med det begränsade globala utbudet och de stigande priserna på ädelmetaller finns det ett akut behov av alternativa elektrokatalysatormaterial för att producera väte från vatten.
Dr. Jesum Alves Fernandes, School of Chemistry, University of Nottingham, som ledde forskargruppen, sa:"Enbart industrier i Storbritannien genererar miljontals ton metallavfall årligen. Genom att använda ett svepelektronmikroskop kunde vi inspektera till synes släta ytor av spån av rostfritt stål, titan eller nickellegering.
"Till vår förvåning upptäckte vi att ytorna hade spår och åsar som bara var tiotals nanometer breda. Vi insåg att denna nanotexturerade yta kunde utgöra en unik möjlighet för tillverkning av elektrokatalysatorer."
Forskarna använde magnetronsputtering för att skapa en platinaatom "regn" på spånens yta. Dessa platinaatomer samlas sedan till nanopartiklar som passar tätt in i spåren i nanoskala.
Dr. Madasamy Thangamuthu, en postdoktor vid University of Nottingham som var ansvarig för analysen av strukturen och den elektrokatalytiska aktiviteten hos de nya materialen, säger:"Det är anmärkningsvärt att vi kan producera väte från vatten med bara en tiondel av mängden platinaladdning jämfört med toppmoderna kommersiella katalysatorer.
"Genom att sprida bara 28 mikrogram av den ädla metallen över 1 cm² av spånen kunde vi skapa en elektrolysator i laboratorieskala som fungerar med 100 % effektivitet och producerar 0,5 liter vätgas per minut bara från en enda bit spån. "
Gruppen samarbetar med AqSorption Ltd, ett Nottingham-baserat företag som specialiserat sig på elektrolysördesign och tillverkning för att skala upp sin teknologi. Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, sa:"Elektrokatalysatorerna gjorda av spån har potential att i hög grad påverka ekonomin. Vår unika teknik utvecklad i Nottingham, som involverar atom-för-atom-tillväxt av platinapartiklar på nanotexturerade ytor. , har löst två stora utmaningar.
"För det första möjliggör den produktionen av grönt väte med minsta möjliga mängd ädelmetall, och för det andra återcirkulerar det metallavfall från flygindustrin, allt i en enda process."
Zero Carbon Cluster har satts i East Midlands för att påskynda utvecklingen och spridningen av innovation inom gröna industrier och avancerad tillverkning.
Professor Tom Rodden, PVC för forskning och kunskapsutbyte vid University of Nottingham sa:"Att utveckla väteframdrivningssystem kan vara ett viktigt steg mot att ta itu med några av världens mest angelägna koldioxidutmaningar, särskilt för transport- och tillverkningsindustrin. Men, Den här strategins framgång beror på att producera grönt väte på ett hållbart sätt, till exempel genom vattenspjälkning via elektrolys, och detta kräver i sin tur framsteg inom materialdesign."
Mer information: Från metallskrot till högeffektiva elektroder:utnyttja nanotexturerad yta av spån för effektivt utnyttjande av Pt och Co för väteproduktion, Journal of Material Chemistry A (2024). DOI:10.1039/d4ta00711e
Tillhandahålls av University of Nottingham
