Ett genombrott för att dela upp vatten i dess delar kan bidra till att förnybar energi lönar sig, även när solen inte skiner och vinden inte blåser.

Att använda sol- och vindkraft när den är tillgänglig för vattenklyvning, en process som använder elektricitet för att dela H ₂ O till väte och syre, erbjuder ett sätt att lagra energi i form av vätebränsle.

För närvarande det mest populära systemet som används för vattendelning, eller vattenelektrolys, förlitar sig på ädla metaller som katalysatorer, men ett samarbetande forskarlag, inklusive forskare från Los Alamos National Laboratory och Washington State University, har utvecklat ett system som använder billigare och mer rikliga material. De beskriver framstegen i en artikel publicerad i Naturenergi den 9 mars.

"Det nuvarande vattenelektrolyssystemet använder en mycket dyr katalysator. I vårt system, vi använder en nickel-järnbaserad katalysator, vilket är mycket billigare, men prestandan är jämförbar, sa Yu Seung Kim, en forskare vid Los Alamos National Laboratory och motsvarande författare på tidningen.

Den mesta vattenklyvningen idag utförs med hjälp av en utrustning som kallas en protonutbytesmembranvattenelektrolysator, som genererar väte med hög produktionshastighet. Det är dyrt, och fungerar under mycket sura förhållanden, som kräver ädelmetallkatalysatorer som platina och iridium samt korrosionsbeständiga metallplattor av titan.

Forskargruppen arbetade för att lösa detta problem genom att dela vatten under alkaliska, eller grundläggande, betingelser med en anjonbytarmembranelektrolysator. Denna typ av elektrolysator behöver ingen katalysator baserad på ädelmetaller. Faktiskt, ett team ledd av Yuehe Lin, professor vid WSU:s School of Mechanical and Materials Engineering, skapade en katalysator baserad på nickel och järn, element som är billigare och rikligare i miljön.

Lins team delade sin utveckling med Kim på Los Alamos, vars team i sin tur utvecklade elektrodbindemedlet för att använda med katalysatorn. Elektrodbindemedlet är en hydroxidledande polymer som binder katalysatorer och ger en miljö med högt pH för snabba elektrokemiska reaktioner.

Kombinationen av det Los Alamos-utvecklade elektrodbindemedlet och WSU:s katalysator ökade väteproduktionshastigheten till nästan tio gånger hastigheten jämfört med tidigare anjonbytesmembranelektrolysatorer, vilket gör den jämförbar med den dyrare protonbytesmembranelektrolysatorn.

Omkring 10 miljoner ton väte produceras för närvarande i USA varje år, mestadels genom att använda naturgas i en process som kallas naturgasreform, enligt det amerikanska energidepartementet. Väte som produceras från en vattenklyvningsprocess som drivs av el från förnybar energi har många ekonomiska och miljömässiga fördelar, sa Lin.

"Vattenklyvning är en ren teknik, men du behöver el för att göra det, sa Lin, som också är en motsvarande författare på tidningen. "Nu har vi mycket förnybar energi, vind- och solkraft, men det är intermittent. Till exempel, på natten kan vi inte använda solenergi, men om under dagen, vi kan använda extra energi för att omvandla den till något annat, som väte, det är mycket lovande."

Den globala marknaden för vätgasproduktion förväntas uppgå till 199,1 miljarder dollar år 2023. Potentiella marknader för väteenergi inkluderar allt från massenergiomvandling och ledning av elnät till bränsleceller för bilar. Lin uppskattar att det finns cirka 600 vindkraftsparker i USA redo för direktanslutningar till vattenelektrolyssystem.