Ny katalysator kan ge billigare och effektivare vätgasproduktion
Forskare vid KTH har varit med och tagit fram en ny, mycket effektiv katalysator för oxidation av vatten i syre och väte. Resultatet, som nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Catalysis, kan leda till en mer effektiv produktion av vätgas.
– Det finns två viktiga punkter i detta arbete. Prestandan hos katalysatorn är förträfflig, den är en av de bästa kandidaterna för reaktionen. Punkt nummer två är att vi tydligt förklarar reaktionsmekanismen. Vi föreslår en ny mekanism, säger Hao Yang, doktorand vid institutionen för kemi och förstaförfattare till artikeln.
Vätgas har fått stor betydelse när det gäller att lagra energi i stora mängder. Gasen har en hög energidensitet vilket gör att man kan lagra ungefär 100 gånger så mycket energi som i ett litiumbatteri per vikt. Vätgasen kan sedan användas för att utvinna el med hjälp av exempelvis bränsleceller. Ett användningsområde är stålindustrin, där vätgas ingår i tillverkningen av fossilfritt stål.
– Vi vill tillverka väte mer effektivt. Att tillverka väte är enkelt, men reaktionen som bildar syre är trögare. Man behöver komma över en väldigt hög energibarriär och därför behöver man en katalysator, säger Hao Yang.
Internationellt samarbete
I projektet har forskare från KTH samarbetat med Westlake University i Hangzhou, Kina, där professor Licheng Sun, som även är verksam vid KTH, leder en forskargrupp.
– Hans grupp har gjort den experimentella biten och vi har gjort simuleringar. De har gjort ett material för elektrolys av vatten, delning av vatten i syrgas och vätgas. Det är ett extremt poröst material som dessutom är elektriskt ledande. Genom att tillsätta små mängder kobolt fick de ett material med extremt hög aktivitet för den syrgasbildande reaktionen, som anses vara svårare, säger Mårten Ahlquist, professor i teoretisk katalys vid avdelningen för teoretisk kemi och biologi.
– Det här materialet består av små mängder kobolt som är utspridda i strukturen. Varje koboltatom fungerar som en katalysator, så man kan ha extremt små mängder och ändå få en väldigt hög verkan.
Vanligen används ädelmetallerna iridium och rutenium för oxidation av vatten. Genom att använda kobolt får man ett billigare alternativ med en högre effektivitet.
Genom experiment och teoretiska simuleringar för att studera reaktionsmekanismerna hos koboltatomerna, hittade forskarna en ny mekanism för bildandet av den första bindningen mellan två syreatomer, som är orsaken till att kobolt reagerar med så hög hastighet.
– Vi kallar den intramolekylär hydroxyl nukleofil attack. Det är en ny reaktionsväg. Vi har använt många tekniker för att påvisa denna väg. Tillverkningsprocessen är enkel. Den kan utökas till andra katalysatorsystem, genom att följa ett liknande protokoll. Man kan byta ut grundämnen, center eller polymera substrat. Metoden som användes för att förstå reaktionsmekanismen kan också utökas till andra reaktioner och katalysatorer, säger Hao Yang.
Jakt på billigare material
Nästa steg i forskningen blir att se om man kan uppnå samma prestanda med järn eller nickel, som är ännu billigare än kobolt.
Forskarna har även kommit att förstå varför många andra katalysatorer kräver ett väldigt högt pH-värde. Den nya katalysatorn har däremot visat sig fungera bra även i en miljö med neutralt pH-värde.
– Väldigt höga pH värden är korrosiva och det är svårt att behålla stabiliteten under lång tid vid så extrema förhållanden. En möjlig tillämpning är om man skulle vilja använda havsvatten i oxidationsprocessen. Då är det en fördel att kunna använda katalysatorn vid neutralt pH, säger Mårten Ahlquist.
Text: Sabina Fabrizi