Nya framsteg inom vätgasproduktion kan bana väg för högre kapacitet och mer hållbar framställning av denna förnybara energikälla, enligt en ny studie från KTH.
Resultaten bygger på observationer på atomnivå av hur katalysatorer fungerar vid vattenspjälkning – en långsam och kostsam process där bindningen mellan syre och väte bryts. Med hjälp av en specialutvecklad metod har forskarna lyckats producera vätgas i hastigheter som motsvarar eller överträffar dagens mest avancerade katalysatorer.
Dessutom förblev katalysatorn stabil efter långvarig drift – ett lovande tecken för kommersiell användning.
Studien, som publicerats i Nature Chemistry, har letts av professor Lichen Sun, med bidrag från professor Mårten Ahlquist och doktoranden Hao Yang.
När vatten spjälkas krävs elektricitet för att driva elektrolysen som delar upp vattenmolekylerna i vätgas och syrgas. Ofta används nickel–järnoxider som katalysatorer för att minska energiförbrukningen och påskynda reaktionen. Men materialen är komplexa, vilket gör det svårt att förstå exakt hur reaktionerna går till.
För att lösa detta konstruerade forskargruppen en ”molekylär ställning” – en specialdesignad organisk struktur som håller nickel- och järnatomer på bestämda platser. Till skillnad från den slumpmässiga fördelningen i konventionella katalysatorer gör denna exakta placering det möjligt att studera elektron- och protonöverföring i själva kärnan av processen.
Forskarna kunde då se att när nickel- och järnatomer placeras närmare varandra kan vätejonerna lättare lämna järncentra, vilket underlättar bildningen av syre – den mest utmanande delen av vattenspjälkningen. Lichen Sun förklarar att hydroxylgrupper (kemiska enheter av syre och väte) bundna till nickel fungerar som protonreläer, vilket påskyndar reaktionen.
– Det är viktigt eftersom högre omsättningshastighet minskar energiförluster och drifttid, vilket i sin tur sänker kostnaden per kilo vätgas, säger Mårten Ahlquist.
– Våra resultat knyter samman verkliga nickel–järnoxidkatalysatorer med en fördjupad molekylär förståelse. Det öppnar dörren för nästa generation material som fungerar bättre och håller längre. För vätgastekniken innebär det snabbare, effektivare och mer hållbara sätt att producera ren energi.
– Den molekylära ställningen gjorde det möjligt att äntligen se protonreläet i arbete. Det förklarar varför nickel och järn fungerar så bra tillsammans – och hur vi kan göra dem ännu bättre, konstaterar Lichen Sun.
Forskarna betonar att det är svårt att göra direkta jämförelser med dagens konventionella katalysatorer, eftersom systemen och experimentförhållandena varierar. Trots det motsvarade den katalytiska aktiviteten ungefär en tiofaldig förbättring vid liknande spänning.
– Det är viktigt eftersom högre omsättningshastighet minskar energiförluster och drifttid, vilket i sin tur sänker kostnaden per kilo vätgas, säger Mårten Ahlquist.
– Våra resultat knyter samman verkliga nickel–järnoxidkatalysatorer med en fördjupad molekylär förståelse. Det öppnar dörren för nästa generation material som fungerar bättre och håller längre. För vätgastekniken innebär det snabbare, effektivare och mer hållbara sätt att producera ren energi.
Vetenskaplig publicering:
Metal-hydroxyls mediate intramolecular proton transfer in heterogeneous O–O bond formation, Nature Chemistry, DOI: 10.1038/s41557-025-01993-8
Bild: Gerhard Bögner
