Cage-Confined Multimetallic Clusters for Hydrogen Evolution
- Reference number
- STP25-0033
- Project leader
- Yuan, Jiayin
- Start and end dates
- 260801-310731
- Amount granted
- 5 000 000 SEK
- Administrative organization
- Stockholm University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
Green hydrogen is essential for decarbonizing energy-intensive sectors where direct electrification is not feasible. Although alkaline water electrolysis is the most mature and scalable hydrogen-production technology, its efficiency is limited by slow hydrogen-evolution kinetics and reliance on precious-metal catalysts. Addressing these limitations in a materials-efficient manner is a key challenge. This project (CageH2) aims to develop cage-confined multimetallic cluster catalysts for efficient alkaline hydrogen evolution by combining amine-functionalized organic cage design, multimetallic synergy, and operando characterization. The central concept is that amine-rich organic cages regulate interfacial water structure and proton-transfer dynamics, enabling high catalytic activity while reducing noble-metal dependence. CageH2 is structured as a tightly integrated Sweden–Taiwan collaboration project. The Swedish team will lead cage synthesis, preparation of multimetallic clusters, and electrochemical evaluation and the Taiwanese team will lead advanced operando X-ray absorption spectroscopy to resolve dynamic electronic-structure evolution under operating conditions, supported by access to MAX IV. Expected outcomes include mechanistic insight into interfacial water regulation, durable and materials-efficient catalysts, and transferable design principles for alkaline electrolysis, strengthening Sweden–Taiwan collaboration and green-hydrogen competitiveness.
Popular science description
För att bromsa klimatförändringarna behöver samhället minska användningen av fossila bränslen, särskilt inom energiintensiva områden som tung industri, kemisk produktion och energilagring. I många av dessa sektorer är det svårt eller omöjligt att använda elektricitet direkt. Grön vätgas, som produceras med hjälp av förnybar el och vatten, är därför en viktig pusselbit i omställningen till ett hållbart energisystem. Den mest etablerade och skalbara tekniken för att producera grön vätgas är alkalisk vattenelektrolys. Trots detta är tekniken fortfarande begränsad av låg effektivitet och ett beroende av dyra och sällsynta ädelmetaller, såsom platina. En viktig orsak är att vätgas i alkalisk miljö måste bildas från vattenmolekyler, vilket gör reaktionen långsam och energikrävande. Att öka effektiviteten samtidigt som användningen av ädelmetaller minskas är därför en central utmaning. Projektet CageH2 tar sig an denna utmaning genom att utveckla en ny typ av katalysator baserad på molekylär design. I projektet placeras mycket små metallpartiklar, så kallade metallkluster, inuti nanostora organiska “burar”. Dessa burar är utformade för att påverka hur vatten beter sig nära metallens yta. Genom att styra vattenmolekyler och underlätta protontransport skapas en lokal miljö där vätgas kan bildas snabbare och mer effektivt, även under alkaliska förhållanden. När denna lokala miljö väl är optimerad undersöker projektet hur olika metaller kan kombineras inom samma kluster för att ytterligare förbättra prestandan och minska behovet av ädelmetaller. CageH2 är ett nära samarbete mellan forskare i Sverige och Taiwan och kombinerar avancerad materialsynthes, elektrokemiska tester och röntgenbaserade metoder som gör det möjligt att studera katalysatorer medan de arbetar. Genom att öka förståelsen för samspelet mellan vatten, metaller och elektroner på nanonivå ska projektet bidra med nya designprinciper för framtidens effektiva och hållbara vätgasteknik, och därmed stödja utvecklingen av ett fossilfritt energisystem.