Undersøgelse afslører præcis, hvordan billige brændselscellekatalysatorer fungerer

For at reducere omkostningerne ved næste generations polymerelektrolytbrændselsceller til køretøjer, forskere har udviklet alternativer til de uoverkommeligt dyre platin- og platingruppemetal (PGM) katalysatorer, der i øjeblikket bruges i brændselscelleelektroder. Nyt arbejde på Los Alamos og Oak Ridge nationale laboratorier løser vanskelige spørgsmål om brændselscelleydelse, både ved at bestemme effektive nye materialer og forstå, hvordan de fungerer på atomniveau. Forskningen er beskrevet i denne uge i tidsskriftet Videnskab .

"Det, der gør denne udforskning særlig vigtig, er, at den forbedrer vores forståelse af, præcis hvorfor disse alternative katalysatorer er aktive, " sagde Piotr Zelenay, leder af projektet ved Los Alamos National Laboratory. "Vi har rykket feltet frem, men uden at forstå kilderne til aktivitet; uden den strukturelle og funktionelle indsigt, yderligere fremskridt ville blive meget vanskeligt."

Med udgangspunkt i tidligere undersøgelser, det Los Alamos-ledede team har syntetiseret katalysatorer bestående af billige platinalternativer, der giver en ydeevne, der kan sammenlignes med den standard PGM-brændselscellekatalysator, der bruges i køretøjsapplikationer. Ved hjælp af sofistikeret mikroskopi på Oak Ridge National Laboratory (ORNL), forskere var i stand til direkte at observere enkeltatomets aktive steder i det nye materiale, hvor katalyse finder sted, som gav unik indsigt i det PGM-fri materiales effektivitetspotentiale.

Platin hjælper både med den elektrokatalytiske oxidation af brintbrændstof ved anoden og den elektrokatalytiske reduktion af oxygen fra luften ved katoden, producerer brugbar elektricitet. At finde en levedygtig, Lavpris PGM-fri katalysatoralternativ bliver mere og mere muligt, men det har været en langvarig udfordring at forstå præcis, hvor og hvordan katalyse finder sted i disse nye materialer. Det er rigtigt, Zelenay bemærkede, især i brændselscellekatoden, hvor en relativt langsom iltreduktionsreaktion, eller ORR, finder sted, der kræver betydelig 'belastning' af platin.

Det nye materiale, der undersøges i denne undersøgelse, er en jern-nitrogen-carbon (Fe-N-C) elektrokatalysator, syntetiseret med to nitrogenprækursorer, der udviklede en hierarkisk porestruktur for at udsætte en stor del af kulstofoverfladerne for ilt. Dens brændselscelleydelse nærmer sig platinkatalysatorernes, et betydeligt fremskridt, som dokumenteret i brændselscelle-teststandens ydeevne.

Gennem brugen af ​​ORNLs aberrationskorrigerede scanningstransmissionselektronmikroskop og elektronenergitabsspektroskopi, ORNL-forskere var i stand til at give den første direkte observation af det ofte foreslåede ORR-aktive sted, FeN4, på atomniveau.

"Med både denne præstation og den atomare visualisering af reaktionsstederne, vi lukker hullet for at erstatte platin med en højtydende katalysator, der er klar til at blive skaleret op til potentiel anvendelse i brændselsceller til bilindustrien, " sagde Karren More, ORNL mikroskopi teamleder.

Ud over, den høje aktivitet af Fe-N-C-katalysatorer og FeN4-aktiv-site-strukturen blev forudsagt ved computermodellering udført i Los Alamos, ligesom den mulige reaktionsvej.

"I dette papir binder vi modellerings- og mikroskopiresultaterne sammen med den elektrokemisk bestemte høje aktivitet af en PGM-fri oxygenreduktionsreaktionskatalysator, " sagde Zelenay.

Los Alamos forskning i brændselsceller udvider mulighederne for energiproduktion til støtte for laboratoriets mission om at styrke landets energisikkerhed.