Электролитическая пленка, произведенная в Райсе и испытанная в Хьюстоне, представляет собой трехслойную структуру из никеля, графена и соединения железа, марганца и фосфора. Пенистый никель придает пленке большую поверхность, проводящий графен защищает никель от разложения, а фосфид металла осуществляет реакцию.
Прочный материал — тема статьи в Nano Energy.Химик-рисовальщик Кентон Уитмайр и инженер-электрик и компьютерщик из Хьюстона Джиминг Бао и их лаборатории разработали пленку для преодоления барьеров, которые обычно делают катализатор пригодным для производства кислорода или водорода, но не обоих одновременно.«Обычные металлы иногда окисляются во время катализа», — сказал Уитмир. «Обычно реакция выделения водорода происходит в кислоте, а реакция выделения кислорода — в основании.
У нас есть один материал, который стабилен, будь то в кислотном или основном растворе».Это открытие основано на создании исследователями простого катализатора выделения кислорода, обнаруженного ранее в этом году. В этой работе команда вырастила катализатор непосредственно на массиве полупроводниковых наностержней, который превращал солнечный свет в энергию для расщепления солнечной воды.
Электрокатализ требует двух катализаторов, катода и анода. При помещении в воду и зарядке водород образуется на одном электроде, а кислород — на другом, и эти газы улавливаются.
Но для этого процесса обычно требуются дорогостоящие металлы, чтобы работать так же эффективно, как катализатор команды Райса.«Стандарт для выделения водорода — платина», — сказал Уитмир. «Мы используем богатые на Земле материалы — железо, марганец и фосфор — в отличие от благородных металлов, которые намного дороже».По словам Уитмайра, новый катализатор также требует меньше энергии. «Если вы хотите производить водород и кислород, вы должны вкладывать энергию, и чем больше вы вкладываете, тем менее коммерчески это жизнеспособно», — сказал он. «Вы хотите сделать это с минимально возможным количеством энергии.
Это преимущество нашего материала: перенапряжение (количество энергии, необходимое для запуска электрокатализа) невелико и вполне сопоставимо с другими материалами. Чем ниже вы можете его получить, тем ближе вы подойдете к тому, чтобы сделать его максимально эффективным для разделения воды ».Графен, форма углерода толщиной в атом, является ключом к защите лежащего в основе никеля.
От одного до трех слоев графена формируют на пене никеля в печи химического осаждения из паровой фазы (CVD), и поверх него добавляют железо, марганец и фосфор, также посредством CVD и из одного прекурсора.Тесты лаборатории Бао сравнили пену никеля и фосфид как с графеном в середине, так и без него, и обнаружили, что проводящий графен снижает сопротивление переносу заряда как для водородных, так и для кислородных реакций.«Никель — один из лучших катализаторов образования графена», — сказал со-ведущий автор Десмонд Шиппер, аспирант Райса. «По сути, мы используем никель, чтобы улучшить его». Он сказал, что марганец также повышает уровень защиты.
Уитмайр сказал, что этот материал масштабируем и должен найти применение в отраслях, производящих водород и кислород, или на объектах, работающих на солнечной и ветровой энергии, которые могут использовать электрокатализ для хранения непиковой энергии.Он также может быть адаптирован для производства других современных материалов. «Наш метод может быть широко применим к большому количеству материалов из фосфидов металлов для катализаторов — не только для расщепления воды, но и для целого ряда вещей», — сказал он.«Решающим фактором является то, что мы можем производить фазово-чистые материалы с различным составом. В настоящее время люди очень мало контролируют фазу, которую они получают на поверхности, и во многих случаях они получают смесь.
Когда это происходит, они не знают, какая фаза на самом деле отвечает за катализ. С нашим процессом они могут знать ».