Högpresterande, ionomerfria gasdiffusionskatoder med låg Pt-belastning för protonbytesmembran-vattenelektrolys

Att förvandla vatten till drivmedel med mindre ädelmetall

Väte framställt från vatten och förnybar el marknadsförs ofta som ett rent bränsle för tung industri, sjöfart och långsiktig energilagring. Men dagens mest effektiva enheter för vattenklyvning förlitar sig på stora mängder platina, en av jordens mest sällsynta och dyrbara metaller. Denna studie visar ett sätt att använda nästan hundra gånger mindre platina på ena sidan av dessa enheter, utan att offra prestanda eller stabilitet, vilket för flyttbart och prisvärt grönt väte ett steg närmare verkligheten.

Varför minskat platinaanvändande spelar roll

Moderna vattenelektrolysörer med protonbytesmembran—kompakta enheter som delar upp vatten i väte och syre—fungerar väl men är beroende av två sällsynta ”ädelmetaller”. Iridium driver syrebildningsreaktionen vid anod, medan platina möjliggör vätebildning vid katod. Även om platina är en utmärkt katalysator i labbmiljö, sitter mycket av metallen i faktiska enheter inbäddad i ett tjockt skikt blandat med en plastliknande jonledande bindemedel. Endast en bråkdel av metallen har faktiskt samtidig kontakt med vatten, gas och membran — något som krävs för att reaktionen ska fortgå. Som följd kompenserar tillverkare genom att tillsätta mer platina, vilket ökar både kostnad och materialbehov.

En ettstegsmetod för att placera atomer precist

Forskarna tog sig an problemet genom att ompröva hur katoden byggs upp. I stället för att göra en vätskebaserad bläck och spraya den på ett stöd, använde de en gasbaserad teknik kallad atomskiktsdeposition (ALD). Vid ALD exponeras ytan för alternerande pulser av en platinahaltig ånga och en reaktiv gas, vilket tillåter platina att växa som små, väl åtskilda nanopartiklar lager för lager. De applicerade denna process direkt på ett kommersiellt gasdiffusionslager—ett poröst kolfiberark som låter vatten och gas flöda—valfritt belagt med ett extra tunt “mikroporiskt lager” som jämnar ut ytan. Genom att justera antalet ALD-cykler kunde de kontrollera både hur många platinaatomer som landade och hur stora partiklarna blev, allt med nanometers noggrannhet.

Bygga ett tunnare, smartare katodskikt

Noga avbildning och ytanalyser bekräftade att ALD-metoden producerade uniforma platinnanopartiklar som främst satt vid det yttre skiktet av stödet snarare än djupt inne i materialet. På det mikroporösa lagret var partiklarna särskilt små och jämnt fördelade, ofta under två nanometer vid den lägsta metallbelastningen. Eftersom detta tunna, släta lager ger god kontakt med polymermembranet samtidigt som det förblir vattenavvisande, hjälper det vätebubblor att släppas fria och håller färskt vatten flödande till de aktiva platserna. Elektriska tester i fullskaliga elektrolyzerceller visade att dessa nya katoder, även med extremt låga platinahalter mellan ungefär 1 och 5 mikrogram per kvadratcentimeter, kunde matcha eller överträffa kommersiella referenselektroder vars platinahalt är mer än hundra gånger högre.

Prestanda, verkningsgrad och uthållighet

För att förstå hur och varför den nya designen fungerar så bra dissekerade teamet cellspänningen i bidrag från reaktionshastighet, elektriskt motstånd och gastransport. De fann att när platina placerades på ett mikroporiskt lager med ALD, förblev hastigheten för vätebildningsreaktionen jämförbar med konventionella, platinumrika elektroder, trots den drastiskt lägre metallhalten. Samtidigt minskade det tunnare, välordnade katalysatorskiktet problem med gasuppbyggnad som annars kan slösa energi. När forskarna normaliserade prestanda efter faktisk platinamassa blev vinsten tydlig: deras bästa ionomerfria katoder uppvisade masstillgänglighet upp till tre storleksordningar högre än standard kommersiella enheter och överträffade de bästa resultat som rapporterats hittills i vetenskaplig litteratur.

Bevisad hållbarhet under realistiska förhållanden

Att använda mindre platina är bara meningsfullt om enheten förblir stabil under långtidsbruk och under de växlande effekter som är typiska för vind- och solenergi. Teamet körde därför sina bästa elektroder i 200 timmar vid hög ström, motsvarande industriellt relevanta väteproduktionshastigheter. Cellspänningen förblev nästan konstant, med endast obetydlig försämring. I ett separat test som efterliknade snabba svängningar i effekt—genom att cykla cellspänningen mellan låga och höga värden i 25 000 cykler—visade elektroderna återigen bara små prestandaförluster. Elektriska mätningar före och efter dessa tester indikerade att varken platinans inneboende aktivitet eller cellens totala resistans ändrats märkbart.

Vad detta innebär för grönt väte

Enkelt uttryckt visar detta arbete hur man ”använder varje atom klokt.” Genom att placera platina exakt där det behövs, i ett mycket tunt skikt vid gränsytan mellan ett slätt poröst stöd och membranet, uppnår forskarna samma väteproduktion med ungefär 99,5 % mindre platina på katoden än dagens kommersiella konstruktioner. Eftersom ALD-processen kan anpassas till roll-to-roll-produktion, liknande hur tidningar trycks, erbjuder den en realistisk väg mot massproduktion. Om denna metod kombineras med parallella insatser för att minska iridiumanvändningen vid anod, kan sådana framsteg göra storskalig, effektiv produktion av grönt väte både tekniskt och ekonomiskt möjlig.

Citering: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

Nyckelord: grönt väte, vattenelektrolys, platinakatalysator, atomskiktsdeposition, gasdiffusionselektrod