En av de största utmaningarna med att göra väteproduktionen ren och billig har varit att hitta en alternativ katalysator som är nödvändig för den kemiska reaktion som producerar gasen, en som är mycket billigare och riklig än den mycket dyra och sällsynta platina som används för närvarande. Forskare i Korea har nu hittat ett sätt att "klippa" i små nanoband, ett billigt och rikligt ämne som passar, öka dess katalytiska effektivitet till åtminstone platinas.

Forskare har identifierat ett potentiellt katalysatoralternativ – och ett innovativt sätt att tillverka dem med kemiska "saxar" – som kan göra väteproduktionen mer ekonomisk.

Forskargruppen ledd av professor Sang Ouk Kim vid institutionen för materialvetenskap och teknik publicerade sitt arbete i Naturkommunikation .

Vätgas kommer sannolikt att spela en nyckelroll i den rena omställningen bort från fossila bränslen och andra processer som producerar utsläpp av växthusgaser. Det finns en mängd transportsektorer som långdistanssjöfart och flyg som är svåra att elektrifiera och därför kommer att kräva rent producerat väte som bränsle eller som råvara för andra koldioxidneutrala syntetiska bränslen. Likaså, gödseltillverkning och stålsektorn kommer sannolikt inte att "avkolas" utan billigt och rent väte.

Problemet är att de överlägset billigaste metoderna för att producera vätgas för närvarande är från naturgas, en process som själv producerar växthusgasen koldioxid - vilket motverkar syftet.

Alternativa tekniker för väteproduktion, såsom elektrolys med en elektrisk ström mellan två elektroder nedsänkta i vatten för att övervinna de kemiska bindningarna som håller ihop vatten, därigenom dela upp den i dess beståndsdelar, syre och väte är mycket väl etablerade. Men en av faktorerna som bidrar till de höga kostnaderna, utöver att vara extremt energikrävande, är behovet av den mycket dyra ädla och relativt sällsynta metallen platina. Platinan används som en katalysator - ett ämne som startar eller påskyndar en kemisk reaktion - i väteproduktionsprocessen.

Som ett resultat, forskare har länge varit på jakt efter en ersättning för platina – en annan katalysator som finns i överflöd i jorden och därmed mycket billigare.

Övergångsmetalldikalkogenider, eller TMD, i nanomaterialform, har under en tid ansetts vara en bra kandidat som katalysatorersättning för platina. Dessa är ämnen som består av en atom av en övergångsmetall (grundämnena i den mellersta delen av det periodiska systemet) och två atomer av ett kalkogenelement (grundämnena i den tredje till sista kolumnen i det periodiska systemet, speciellt svavel, selen och tellur).

Det som gör TMD till en bra satsning som platinaersättning är inte bara att de är mycket rikligare, men även deras elektroner är strukturerade på ett sätt som ger elektroderna en boost.

Dessutom, en TMD som är ett nanomaterial är i huvudsak ett tvådimensionellt supertunt ark som bara är några få atomer tjockt, precis som grafen. Den ultratunna naturen hos ett 2-D TMD nanoark gör att många fler TMD-molekyler kan exponeras under katalysprocessen än vad som skulle vara fallet i ett block av saker, vilket sätter igång och påskyndar den vätebildande kemiska reaktionen så mycket mer.

Dock, även här är TMD-molekylerna bara reaktiva vid de fyra kanterna på ett nanoark. I den platta interiören, inte mycket händer. För att öka den kemiska reaktionshastigheten vid produktionen av väte, nanoarket skulle behöva skäras till mycket tunna — nästan endimensionella remsor, vilket skapar många kanter.

Som svar, forskargruppen utvecklade vad som i huvudsak är en kemisk sax som kan klippa TMD i små remsor.

"Tills nu, de enda ämnen som någon har kunnat förvandla till dessa "nano-band" är grafen och fosforen, sa Sang Professor Kim, en av forskarna som var med och utformade processen.

"Men de består båda av bara ett element, så det är ganska okomplicerat. Att ta reda på hur man gör det för TMD, som är gjord av två element skulle bli mycket svårare."

"Saxen" omfattar en tvåstegsprocess som involverar att först infoga litiumjoner i den skiktade strukturen av TMD-arken, och sedan med hjälp av ultraljud för att orsaka en spontan "upplåsning" i raka linjer.

"Det fungerar ungefär som när du klyver en planka av plywood:den går lätt sönder åt ena hållet längs fibrerna, Professor Kim fortsatte. "Det är faktiskt väldigt enkelt."

Forskarna provade det sedan med olika typer av TMD, inklusive de som är gjorda av molybden, selen, svavel, tellur och volfram. Allt fungerade lika bra, med en katalytisk effektivitet lika effektiv som platinas.

På grund av förfarandets enkelhet, denna metod borde kunna användas inte bara i storskalig produktion av TMD nanoband, men också för att göra liknande nanoband från andra flerelementära 2D-material för ändamål utöver bara väteproduktion.