Et fugleperspektiv af IIT Mandi. | Fotokredit: IIT Mandi hjemmeside
Forskere ved IIT Mandi har udviklet en ny kulstofbaseret katalysator til at lave vandelektrolyse mere effektive, samt at være mere stabile og mere overkommelige end andre katalysatorer, der udfører samme funktion.
Vandelektrolyse er den foretrukne proces at fremstille ‘grøn brint’så den nye forbindelse og dens underliggende koncepter er også relevante for udsigten til dette element som fremtidens brændstof.
Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Kulstoftrends i oktober 2022.
Hvad er vandelektrolyse?
I vandelektrolyse opdeles vandmolekyler i brint og ilt ved hjælp af elektricitet inde i en enhed kaldet en elektrolysator. Denne proces bruger dog meget elektrisk energi.
En velkendt løsning er at bruge en katalysator til at få vandmolekylerne til at spalte ved en meget lavere energi. De bedre katalysatorer er ofte baseret på metallerne iridium og ruthenium, som er dyre, i stor efterspørgsel i andre sektorer og ikke konsekvent stabile, efterhånden som reaktionen skrider frem.
I en ny undersøgelse har forskningsgrupper af adjunkt Swati Sharma og lektor Aditi Halder, begge ved IIT Mandi, rapporteret om et porøst kulstofmateriale indeholdende nitrogen, der fungerer både som katalysator og som anode i elektrolyseenheder – og kan erstatte metallet -baserede katalysatorer.
Forskerne fremstillede dette materiale, kaldet ‘laser carbon’, ved at udsætte et ark af en polymer kaldet polyimid for en laserstråle, som forkullede de blottede stykker og efterlod resten rig på nitrogen.
Hvordan hjælper laser carbon?
Inde i en elektrolysator fandtes nitrogenatomerne at trække elektronskyer mod sig selv. Dette fik de nærliggende carbonatomer til at ønske at binde sig til atomer eller molekyler indeholdende elektronpar. Faktisk blev placeringen af disse atomer aktive steder for oxygenudviklingsreaktionen (OER).
OER er en anstødssten i elektrolyse. Ved at elektrolysere vand produceres brint og ilt. Ved elektrolysatorens negativt ladede katode overføres elektroner til protoner for at danne brintgas. Ved den positivt ladede anode sker der en oxidationsreaktion, der frigiver iltgas og elektroner, som bevæger sig mod katoden og fuldender kredsløbet.
OER er en flaskehals i denne ideelle reaktionsproces, fordi den forløber langsomt med mange mellemliggende trin, hvilket sænker den samlede reaktionseffektivitet. Laser carbon tilbyder at løse dette problem ved at reducere OER-overpotentialet.
Overpotentiale er her forskellen mellem den spænding, som OER foregår ved i virkeligheden, og den minimumsspænding, som den kan finde sted ved. Så sænkning af OER-overpotentialet betyder, at reaktionen starter hurtigere og fortsætter med mere kraft.
Hvad er fordelene ved katalysatoren?
Laserkulstof præsenterer også fordele i forhold til andre kulstofbaserede katalysatorer. Ifølge Dr. Sharma er laserkulstof “meget strømeffektiv”, billigere at producere, har en enklere synteseteknik og “kan batch-fremstilles med en laser”.
Dr. Halder sagde, at denne fremstillingsproces også er miljøvenlig “da der ikke genereres affald, og der er ingen våde kemikalier, der ville kræve bortskaffelse”.
“De fleste af de rapporterede katalysatorer er i pulverform og kræver et belastningssubstrat, såsom glasagtig kulstof,” tilføjede hun. “Vores materiale kræver ikke et substrat, da det er selvbærende i form af en film, der fungerer som både elektrode og elektrokatalysator.”
Dr. Halder fremhævede også, at mens mange andre katalysatorer skal ‘aktiveres’, så de præsenterer mere overfladeareal til elektrolysereaktionen, har lasercarbon “ikke brug for dette, da selve produktionsprocessen inducerer porøsitet og iboende nitrogenoverfladefunktioner, der kræves til OER , på grund af den kemiske struktur af polyimid.”
På bagsiden sagde forskerne, at den katalytiske aktivitet af laserkulstof måske ikke er så høj som for nogle metaller – “men det er sammenligneligt. Yderligere forbedringer i fremstillingsprocessen og brugen af andre polymerer kan løse denne udfordring,” sagde de.
Sunderarajan Padmanabhan er en Delhi-baseret freelance videnskabskorrespondent.