Forskare kan ha fört framtiden för förnybar energi ett steg närmare. En ny elektrod kan åstadkomma väteutvecklingsreaktionen (HER) under sura förhållanden, gör tekniken både billigare och mer effektiv. Processen underlättas av en smart form av grafen.

Elektrolysen av vatten till väte är avgörande för energilagring i en grön ekonomi. Ett av de stora hindren, dock, är den höga kostnaden för ädelmetallelektroder. Billigare icke-adelsmän fungerar, men främst under alkaliska förhållanden, där reaktionen är elhungrig; den effektivare syrafasreaktionen kräver knappa råvarumetaller som platina. Ännu värre, de sura elektrolyterna är frätande och äter bort kärnmetallen.

Nu, forskare ledda av University of Tsukuba har funnit att "hålig" grafen erbjuder en väg runt detta problem. De använde kvävedopade grafenskivor för att kapsla in en nickel-molybden (NiMo) elektrodlegering. Avgörande, grafenen var stansad full av nanometerstora hål, som ett durkslag. I en studie i ACS-katalys , de visade att under sura förhållanden, det nya HER-systemet överträffar dramatiskt en elektrod som använder vanlig icke-hålig grafen.

Användningen av grafen i HER-elektroder är inte ny – denna flexibla, ledande kolplåt är idealisk för att linda runt kärnmetallen. Dock, samtidigt som metallen skyddas mot korrosion, grafen undertrycker också dess kemiska aktivitet. I det nya Tsukuba-systemet, de allra viktigaste hålen främjar reaktionen på två sätt, medan den intakta grafendelen skyddar metallen.

"Vi skapade hål genom att dekorera NiMo-ytan med silikananopartiklar, " förklarar studiens medförfattare Kailong Hu. "Då, när vi deponerade grafenskiktet, luckor lämnades kvar vid nanopartikelpositionerna – som ett reliefkonstverk. Faktiskt, hålen är mer än bara luckor – de omges av kemiskt aktiva åsar som kallas "fransar". Tekniskt, dessa fransar är strukturella defekter, men de driver elektrodens kemi."

Jämfört med vanlig grafen, fransarna är mer hydrofila. Detta attraherar hydronium (H3O+) i syralösningen, som spelar en avgörande roll i en av de två HER-mekanismerna. Fransarna är också utmärkta på att adsorbera enstaka H-atomer, vilket ger extra yta för den andra viktiga HER-processen. Som ett resultat, H2 produceras lika effektivt som på en konventionell (men dyr) Pt/C-elektrod. Under tiden, den icke-håliga delen av grafen fördröjer metallkatalysatorn från att lösas upp i syran.

"Detta är ett mångsidigt nytt koncept för elektroder för väteutveckling, ", säger huvudförfattaren Yoshikazu Ito. "Målet är att minimera den överpotential som behövs för reaktionen. Därför, det är inte begränsat till en speciell katalysator. Vi anpassade vårt holey-grafenlager specifikt till NiMo genom att optimera storleken och antalet hål. Vad som är imponerande är att katalysatorn fortfarande var stabil i syra, trots hålen. I framtiden, Holey graphene kan anpassas till en rad metaller, driva effektiviteten av väteproduktion mot fullskalig användning."