Vätgas är en hållbar källa till ren energi som undviker giftiga utsläpp och kan tillföra värde till flera sektorer i ekonomin inklusive transport, kraftproduktion, metalltillverkning, bland andra. Teknik för lagring och transport av väte överbryggar klyftan mellan hållbar energiproduktion och bränsleanvändning, och är därför en viktig komponent i en livskraftig väteekonomi. Men traditionella sätt att lagra och transportera är dyra och känsliga för kontaminering. Som ett resultat, forskare letar efter alternativa tekniker som är tillförlitliga, låg kostnad och enkel. Effektivare väteleveranssystem skulle gynna många applikationer som stationär kraft, bärbar kraft, och mobila fordonsindustrier.

Nu, som rapporterats i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , forskare har designat och syntetiserat ett effektivt material för att påskynda ett av de begränsande stegen vid utvinning av väte från alkoholer. Materialet, en katalysator, är gjord av små kluster av nickelmetall förankrade på ett 2D-substrat. Teamet ledd av forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory's (Berkeley Lab) Molecular Foundry fann att katalysatorn rent och effektivt kunde påskynda reaktionen som tar bort väteatomer från en flytande kemisk bärare. Materialet är robust och tillverkat av jordnära metaller snarare än befintliga alternativ gjorda av ädelmetaller, och kommer att bidra till att göra väte till en livskraftig energikälla för ett brett spektrum av tillämpningar.

"Vi presenterar här inte bara en katalysator med högre aktivitet än andra nickelkatalysatorer som vi testade, för ett viktigt bränsle för förnybar energi, men också en bredare strategi för att använda överkomliga metaller i ett brett spektrum av reaktioner, " sa Jeff Urban, direktören för Inorganic Nanostructures Facility på Molecular Foundry som ledde arbetet. Forskningen är en del av Hydrogen Materials Advanced Research Consortium (HyMARC), ett konsortium finansierat av U.S. Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office (EERE). Genom denna ansträngning, fem nationella laboratorier arbetar mot målet att ta itu med de vetenskapliga luckorna som blockerar utvecklingen av material för lagring av fast väte. Resultat från detta arbete kommer direkt att matas in i EEREs H2@Scale-vision för prisvärd väteproduktion, lagring, distribution och utnyttjande över flera sektorer i ekonomin.

Kemiska föreningar som fungerar som katalysatorer som den som utvecklats av Urban och hans team används vanligtvis för att öka hastigheten på en kemisk reaktion utan att själva föreningen förbrukas - de kan hålla en viss molekyl i en stabil position, eller fungera som en mellanhand som gör att ett viktigt steg kan genomföras på ett tillförlitligt sätt. För den kemiska reaktionen som producerar väte från flytande bärare, de mest effektiva katalysatorerna är gjorda av ädla metaller. Dock, dessa katalysatorer är förknippade med höga kostnader och lågt överflöd, och är mottagliga för kontaminering. Andra billigare katalysatorer, gjorda av vanligare metaller, tenderar att vara mindre effektiva och mindre stabila, vilket begränsar deras verksamhet och deras praktiska spridning i väteproduktionsindustrin.

För att förbättra prestandan och stabiliteten hos dessa jordnära metallbaserade katalysatorer, Urban och hans kollegor ändrade en strategi som fokuserar på små, enhetliga kluster av nickelmetall. Små kluster är viktiga eftersom de maximerar exponeringen av reaktiv yta i en given mängd material. Men de tenderar också att klumpas ihop, som hämmar deras reaktivitet.

Postdoktorand forskarassistent Zhuolei Zhang och projektforskare Ji Su, både på Molecular Foundry och medförfattare på tidningen, designade och utförde ett experiment som bekämpade klumpning genom att deponera 1,5 nanometer-diameter nickelkluster på ett 2-D-substrat tillverkat av bor och kväve som konstruerats för att vara värd för ett rutnät av atomiska gropar. Nickelklustren blev jämnt spridda och säkert förankrade i fördjupningarna. Inte bara förhindrade denna design att klumpa ihop sig, men dess termiska och kemiska egenskaper förbättrade avsevärt katalysatorns totala prestanda genom att direkt interagera med nickelklustren.

"Den underliggande ytans roll under klusterbildnings- och deponeringsstadiet har visat sig vara kritisk, och kan ge ledtrådar för att förstå deras roll i andra processer", sa Urban.

Detaljerade röntgen- och spektroskopimätningar, kombinerat med teoretiska beräkningar, avslöjade mycket om de underliggande ytorna och deras roll i katalys. Med hjälp av verktyg vid den avancerade ljuskällan, en DOE-användaranläggning vid Berkeley Lab, och beräkningsmodelleringsmetoder, forskarna identifierade förändringar i de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos 2D-arken medan små nickelkluster bildades och avsattes på dem. Teamet föreslog att materialet bildas medan metallkluster upptar orörda områden av arken och interagerar med närliggande kanter, sålunda bevaras den lilla storleken på klustren. Den lilla, stabila kluster underlättade verkan i de processer genom vilka väte separeras från dess flytande bärare, ger katalysatorn utmärkt selektivitet, produktivitet, och stabil prestanda.

Beräkningar visade att katalysatorns storlek var anledningen till att dess aktivitet var bland de bästa i förhållande till andra som nyligen har rapporterats. David Prendergast, chef för Theory of Nanostructured Materials Facility vid Molecular Foundry, tillsammans med postdoktorand och medförfattare Ana Sanz-Matias, använt modeller och beräkningsmetoder för att avslöja den unika geometriska och elektroniska strukturen hos de små metallklustren. Barmetallatomer, rikligt på dessa små kluster, attraherade lättare den flytande bäraren än större metallpartiklar. Dessa exponerade atomer underlättade också stegen i den kemiska reaktionen som avlägsnar väte från bäraren, samtidigt som det förhindrar bildandet av föroreningar som kan täppa till ytan på klustret. Därav, materialet förblev fritt från föroreningar under viktiga steg i väteproduktionsreaktionen. Dessa katalytiska och antikontaminationsegenskaper uppstod från de brister som medvetet hade införts i 2D-arken och hjälpte till slut att hålla klustrets storlek liten.

"Kontamination kan göra möjliga oädelmetallkatalysatorer olönsamma. Vår plattform här öppnar en ny dörr för att konstruera dessa system, sa Urban.

I deras katalysator, forskarna uppnådde målet att skapa en relativt billig, lättillgänglig, och stabilt material som hjälper till att avlägsna väte från flytande bärare för användning som bränsle. Detta arbete kom ur en DOE-ansträngning att utveckla material för lagring av väte för att uppfylla målen för EEREs Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office och för att optimera materialen för framtida användning i fordon.

Future work by the Berkeley Lab team will further hone the strategy of modifying 2-D substrates in ways that support tiny metal clusters, to develop even more efficient catalysts. The technique could help to optimize the process of extracting hydrogen from liquid chemical carriers.