Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Vätgas har uppmärksammats de senaste åren som en potentiell källa till ren energi eftersom det brinner utan att ge klimatskadliga utsläpp. Men traditionella metoder för väteproduktion har ett betydande koldioxidavtryck, och renare metoder är dyra och tekniskt komplicerade.
Nu rapporterar forskare om ett betydande framsteg, en tvåelektrodskatalysator som förlitar sig på en förening för att effektivt producera väte och syre från både havsvatten och sötvatten. Tidigare försök med sådana bifunktionella katalysatorer att dela vatten till väte och syre har i allmänhet resulterat i dålig prestanda i en av de två funktionerna. Att använda två separata katalysatorer fungerar men ökar katalysatorernas tillverkningskostnad.
I arbete som beskrivs i Energi- och miljövetenskap , rapporterar forskare från University of Houston, Chinese University of Hong Kong och Central China Normal University att de använder en nickel/molybden/kväveförening, tweaked med en liten mängd järn och odlad på nickelskum för att effektivt producera väte och sedan, genom en process av elektrokemisk rekonstruktion utlöst av cyklisk spänning, omvandlad till en förening som producerade en liknande kraftfull syreutvecklingsreaktion.
Forskarna sa att användningen av en enda förening för både väteutvecklingsreaktionen (HER) och syreevolutionsreaktionen (OER) – om än något förändrats genom återuppbyggnadsprocessen – gör inte bara vattendelning mer överkomligt, det förenklar också de tekniska utmaningarna.
De flesta material är bäst lämpade för antingen HER eller OER, men båda reaktionerna krävs för att slutföra den kemiska reaktionen och producera väte från vatten. Zhifeng Ren, chef för Texas Center for Superconductivity vid UH och motsvarande författare för tidningen, sa att den nya katalysatorn inte bara möjliggör effektiva operationer med en enda katalysator utan också fungerar lika bra i havsvatten och sötvatten. "Jämfört med befintliga katalysatorer är detta i paritet med de bästa som någonsin rapporterats", sa han.
Genom att använda alkaliskt havsvatten och arbeta under kvasi-industriella förhållanden, levererade katalysatorn en strömtäthet på 1 000 milliampere/kvadratcentimeter med bara 1,56 volt i havsvatten, förblev stabil under 80 timmars testning.
Katalysatorns starka prestanda i havsvatten kan lösa ett problem:de flesta tillgängliga katalysatorer fungerar bäst i sötvatten. Att dela havsvatten är mer komplicerat, delvis på grund av korrosion i samband med saltet och andra mineraler. Ren, som också är M.D. Anderson ordförande professor i fysik vid UH, sa att den nya katalysatorn också genererar rent syre och undviker den potentiella biprodukten av frätande klorgas som produceras av vissa katalysatorer.
Men tillgången på sötvatten begränsas alltmer av torka och befolkningstillväxt. Havsvatten, däremot, är rikligt. "Normalt, även om en katalysator fungerar för saltvatten, kräver den en högre energiförbrukning," sa Ren. "I det här fallet är det mycket goda nyheter att kräva nästan samma energiförbrukning som sötvatten."
Shuo Chen, docent i fysik vid UH och motsvarande författare på tidningen, sa att katalysatorns rapporterade starka strömtäthet vid en relativt låg spänning sänker energikostnaden för att producera väte. Men det är bara ett sätt som katalysatorn hanterar överkomliga priser, säger Chen, som också är huvudutredare för TcSUH.
Genom att använda ett material – den järntweakade nickel/molybden/kväveföreningen – för HER och sedan använda cykelspänning för att utlösa en elektrokemisk rekonstruktion för att producera ett något annat material, en järnoxid/molybden/nickeloxid, för OER, forskare eliminerar behovet av en andra katalysator samtidigt som de förenklar tekniska krav, sa Chen.
"Om du gör en enhet med två olika material på två elektroder, måste du ta reda på hur den elektriska laddningen kan flöda genom varje elektrod och designa strukturen för att passa det," sa hon. "I det här fallet är materialet inte exakt detsamma, eftersom en (elektrod) genomgår elektrokemisk rekonstruktion, men det är ett mycket liknande material, så ingenjörskonsten är lättare."
Förutom Ren och Chen inkluderar forskare på uppsatsen Minghui Ning, Fanghao Zhang, Libo Wu, Xinxin Xing, Dezhi Wang, Shaowei Song och Jiming Bao, alla med UH; Qiancheng Zhou från Central China Normal University; och Luo Yu från det kinesiska universitetet i Hong Kong. + Utforska vidare
