Så kan små förändringar i atomer förbättra vätgasproduktionen

Mouna Rafei, doktorand vid Institutionen för fysik.

BildEduardo Gracia

I en nyligen publicerad studie i den vetenskapliga tidskriften Communications Materials har forskare hittat ett sätt att förbättra katalysatorer för vattenelektrolys, där vatten delas upp i vätgas och syrgas för att generera utsläppsfritt bränsle.

Studien tar sig an ett gammalt mysterium: hur kan katalysatorer som består av nickel, järn och molybden bibehålla sin höga aktivitet och effektivt fortsätta spjälka vatten, även efter att en stor del av molybdenet försvunnit under processens gång?

Vätgas är en utmärkt energikälla och produktionen av vätgas från vatten genom elektrolys utgör grunden för flera hållbara energisatsningar. Problemet har varit att de katalysatorer som genererar syrgas ofta slits ut under krävande driftförhållanden, vilket har hindrat tekniken från att få bredare genomslag.

Fungerar trots förlorade komponenter

I åratal har aktiviteten och stabiliteten hos dessa nickel-järn-molybden-katalysatorer varit en gåta: Hur kan de behålla sin exceptionella prestanda även efter att molybden – som är en nyckelkomponent – spolats bort?

Nyckeln visar sig ligga i små men avgörande förändringar i hur atomerna är ordnade. När molybden finns med från början påverkar det hur nickel och järn fördelar sig i materialet.

– Man kan likna det vid att tänja ut en perfekt diamant till en något större form. Det gör det lättare för katalysatorn att reagera med vatten och bilda föreningar som är viktiga för att spjälka vatten, säger Mouna Rafei, förstaförfattare till studien.

Som att bygga en stabil grund

Intressant nog finns dessa förändringar i atomstrukturen kvar även när molybdenet försvunnit. Det är som att bygga en stabil grund: även när byggställningen tas bort står konstruktionen kvar och fungerar som den ska.

Dessa resultat kan bana väg för utvecklingen av ännu mer robusta och kostnadseffektiva katalysatorer för vattenelektrolys, och kan också inspirera till liknande strategier för att utforma hållbara katalysatorer inom andra elektrokemiska tillämpningar.

– Vi har lyckats förstå vilken roll molybdenet spelar och varför det behövs i materialet, även om det så småningom försvinner. Det får oss att undra om det finns andra, mer lättillgängliga ämnen eller processer som kan ge liknande deformationer. Våra resultat tyder på att andra material skulle kunna påverkas på liknande sätt om molybden eller andra grundämnen tillsätts. På ett sätt öppnar detta nya möjligheter att designa helt nya typer av katalysatorer, säger Eduardo Gracia, studiens seniora författare.