Svenska forskare har upptäckt ett nytt och effektivt sätt att använda elektrokatalys för att producera vätgas från vatten. Istället för att använda dyra och svåra att få tag på platinaelektroder, den nya metoden använder elektroder med nanotruss-strukturer av järnoxid. Forskningen leds av professor Ulf Helmersson.

Forskargruppen Plasma and Coatings Physics vid Linköpings universitet tillverkar tunna filmer av nanomaterial. Att göra detta, forskarna använder en teknik som kallas "pulsad plasmasputtering". Den grundläggande processen, sputtering, är en vanlig beläggningsmetod som används inom industri och forskning. Atomer sputtras på ett substrat i en kammare för att bilda ett tunt lager med konstant tjocklek, med hjälp av joniserad gas. LiU-forskarna har vidareutvecklat tekniken och använder korta men mycket effektiva pulser av ett plasma för att få nanopartiklar från de sputtrade atomerna att växa. Nanopartiklarna växer när de flyter i gasen.

Dock, i ett av experimenten som drivs av Sebastian Ekeroth, doktorand i plasma- och beläggningsfysik, materialet visade sig ha bildats på helt fel ställe.

"Det såg ut som om skräp låg runt i kammaren. Jag undersökte en del av det i ett mikroskop och såg ett trassligt knippe av nanotrådar, " han kommer ihåg.

Professor Ulf Helmersson insåg betydelsen av fynden, och ett nytt forskningsfält baserat på ferromagnetiska nanostrukturer grundades.

Forskare runt om i världen blir alltmer intresserade av ferromagnetiska nanopartiklar och hur de kan produceras, i synnerhet i olika typer av lösningar. Dessa magnetiska material blir allt mer intressanta för energilagring (med ett särskilt intresse för lagring av energi från förnybara källor), katalys, och syntesen av kemikalier.

Gruppen på LiU, i samarbete med forskare vid Umeå universitet, har utvecklat en metod för att styra produktionen av ferromagnetiska nanostrukturer med hjälp av pulsad plasmaförstoftning. Resultatet har publicerats i den prestigefyllda tidskriften Nanobokstäver .

I detta fall, Sebastian Ekeroth har använt joniserad argon införd i en kammare med en järnkatod och en rostfri anod. Järnatomer sputtras från katoden och bildar nanopartiklar med en diameter på cirka 20 nm. Ett applicerat magnetfält orsakar järnpartiklarna, som i sig är magnetiska, att gå samman och bilda en stabil och väldefinierad fackverksstruktur, både på papper och metalliska ytor.

Hela strukturen, med alla dess vinklar och noder, är också täckt av ett lager av järnoxid med tjockleken 2 nm, när strukturen utsätts för luft.

"Sättet på vilket järnpartiklarna hakar in i varandra ger en mycket stabil struktur. Miljön i en elektrolyt kan vara väldigt grov. Om konduktiviteten ska bevaras till slutet av processen, det är viktigt att strukturen inte går sönder, säger Sebastian Ekeroth.

Metoden kan även användas för stora ytor.

"Metoden är lämplig för applikationer där ett tredimensionellt material behövs över stora ytor, säger Ulf Helmersson.

Forskarna beskriver i artikeln i Nanoletters hur de framgångsrikt har använt en katod med järnoxidnanostrukturer på ytan av ett ledande lager av kolpapper för att bryta ner vatten till väte och syre.

Denna elektrod har många fördelar jämfört med dyra elektroder gjorda av det svåra att erhålla platina. Den nya elektroden är lätt, kan böjas, har hög kapacitet, och består enbart av miljövänliga och lättanskaffade ämnen, nämligen järn, syre och kol.

Vätgasen har ett högt energiinnehåll. När den kemiska energin i vätgas omvandlas till elektrisk energi i en bränslecell, den enda avfallsprodukten som bildas är vatten. Intresset för bränsleceller ökar stadigt, främst av miljöskäl. Dock, 96 % av det väte som för närvarande produceras kommer från icke-förnybara källor. Jakten pågår efter mer miljökänsliga metoder för att producera vätgas. Den senare är också en potentiell energibärare, och därmed ett möjligt medium för att lagra energi erhållen från, till exempel, solkällor eller vindkraft.

"Framställning av väte är en viktig tillämpning, men vi letar också

på andra områden, såsom elektroder i batterier, i superkondensatorer, och för användning i fotokatalys, säger Ulf Helmersson.