Nytt nanomaterial för effektivare och billigare produktion av vätgas

Fossilfri vätgas har en nyckelroll i den tunga industrins gröna omställning, men produktion via elektrolys kräver stora mängder energi. Nu har forskare från SLU och Stockholms universitet tagit fram ett lovande nanomaterial som kan bädda för en billigare och mer effektiv vätgasframställning. Materialet, som bland annat består av volfram och fosfor samt mindre halter av flerladdade katjoner som t.ex. titan, har de mycket speciella egenskaper som krävs av katalysatorer vid vätgasframställning genom elektrokatalys.

– Vi ser definitivt vårt arbete som ett genombrott, säger Vadim Kessler från SLU, som har lett arbetet. Och vi har redan fått erbjudanden från industrin om att producera elektroder med vårt material.

Vätgas som framställs utan fossila bränslen har en stor potential i framtidens gröna energilösningar. Den huvudsakliga källan är vattenmolekyler som spjälkas till syre och väte med hjälp av el. Tekniken är dock mycket energikrävande och en utmaning är de sidoreaktioner som är kopplade till syrgasbildingen vid anoden. Effektiva elektrokatalysatorer som ger anodreaktioner som är lättare att hantera är därför mycket efterfrågade. De senast framtagna materialen är dock mycket dyra, och tillverkade av en oxid av ädelmetallen rutenium.

I en ny studie som publicerats i tidskriften Inorganic Chemistry visar nu forskare från Sveriges lantbruksuniversitet (SLU) och Stockholms universitet att det går att framställa effektiva (nära 100 procent) ädelmetallfria elektrokatalysatorer bestående av metalloxider (sandmineral) i form av nanopartiklar, så kallade polyoxo-metallater (POM).

Nyckelkomponent i det nya materialet är volframoxid, och dessutom innehåller det flerladdade katjoner, som t.ex. titan, för att göra volframoxiden olöslig. Materialet har samma prestanda som ruteniumoxid, och till skillnad från ruteniumoxid är det stabilt i hundratals cykler. Dessutom är det nya materialet mycket billigare.

Upptäckten har sin grund i två projekt som drivs av forskargruppen oorganisk och fysikalisk kemi vid SLU och som fick en oväntad korsbefruktningseffekt. Det ena projektet handlar om molekylära interaktioner mellan nanopartiklar och peptider (”miniproteiner”) under ledning av Vadim Kessler, och det andra om mer effektiva katalysatorer för vattenrening under ledning av Gulaim Seisenbaeva.

Den första upptäckten var att polyoxo-metallater slutade att interagera med peptider om de utsattes för en mycket sur miljö med förhöjd salthalt, och att denna behandling förvandlade dessa annars mycket lösliga metallater till ett pulver som motstod upplösning i ett brett pH-intervall.

– Polyoxo-metallater är kända för att vara starka oxidanter, så det verkade väldigt spännande att få inblick i hur de nya materialen uppstår och om de kan fungera som elektrokatalysatorer, säger Vadim Kessler, som ledde detta delprojekt.

En närmare titt på pulvren med hjälp av elektronmikroskopi och atomkraftsmikroskopi visade att de bestod av pärlor med mycket porösa nanostrukturer och med polyoxo-metallater som minsta byggstenar. När torkat pulver sattes i kontakt med brandfarliga organiska lösningsmedel började dessa att brinna, vilket innebar att de i själva verket var starka oxidanter.

För att få hjälp att utvärdera de nya materialen kontaktade SLU-forskarna Mats Johnssons forskarlag vid institutionen för material- och miljökemi vid Stockholms universitet, som arbetar med elektrokatalys. Det visade sig då att energiomvandlingseffektiviteten var 96 procent och att det behövs lite elektrisk kraft för att få igång processen.

Det som var särskilt anmärkningsvärt med materialet var att det fungerade lika bra under neutrala som sura pH-förhållanden och att det bibehöll sin aktivitet under flera hundra redoxcykler. Detta gör det mycket attraktivt för framtida tillämpningar.

– Vi är öppna för industrisamarbeten, men vi vill också utveckla materialet ytterligare, både avseende kemisk sammansättning och egenskaper. Dessutom vill vi undersöka möjligheten att effektivisera andra elektrokemiska processer, avslutar Vadim Kessler.

Kontaktperson

Vadim Kessler, professor
Institutionen för molekylära vetenskaper
Sveriges lantbruksuniversitet, Uppsala
018-67 15 41, vadim.kessler@slu.se

Den vetenskapliga artikeln

Björn Greijer, Wannes De Turck, Geoffrey Daniel, Jayeeta Saha, Mats Johnsson, Gulaim A. Seisenbaeva & Vadim Kessler. 2024. Functional nanostructures from sol−gel synthesis using Keggin polyoxometallate phosphotungstic acid as a precursor. Inorganic Chemistry. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.3c04122

Pressbild

(Får publiceras fritt i anslutning till artiklar om denna nyhet. Klicka för högupplöst bild. Fotograf ska anges.)

Det pulver som forskarna har tagit fram består av pärlformade partiklar, som i sin tur är uppbyggda av nanopartiklar. Bilden är framtagen med hjälp av atomkraftsmikroskopi av Gulaim Seisenbaeva.