Forskere rykker tættere på brintdrevne biler

Lehigh-forskere har samarbejdet med kolleger i Kina og på tre nationale laboratorier i USA for at udvikle en guldbaseret katalysator, som de mener kunne forbedre ydeevnen og effektiviteten af ​​brændselsceller, der kører på brint.

Skriver ind Videnskab magasin, gruppen sagde, at dens katalysator - bestående af flådelignende guld-nanopartikler på en speciel type molybdæncarbid (α-MoC) substrat - havde opnået et højt aktivitetsniveau ved lave temperaturer, mens de producerede de rene strømme af brint, der er nødvendige for at drive brændselsceller.

Forskerne sagde, at de opnåede deres resultater ved at udnytte reaktionen på vand-gas-skift (WGS), som omdanner kulilte (CO) og vand til hydrogen (H2) og kuldioxid (CO2). Gruppen var i stand til at rense brinten ved at opbruge al tilgængelig CO, som har en tendens til at deaktivere brændselscellekatalysatorer. WGS reaktion, som typisk bruges til at fremstille brint til fremstilling af kemikalier som ammoniak, er også en kritisk del af bestræbelserne på at gå fra kulbrintebaserede brændstoffer til brint.

"Vores reaktion producerer en strøm af meget rent brint, som ikke er forurenet med CO, som, hvis den findes, ville forgifte katalysatorerne i brændselscellen, " sagde Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers seniorprofessor i materialevidenskab og teknik ved Lehigh. "Vi er virkelig begejstrede for denne udvikling, fordi den bringer os et skridt tættere på at have biler, der kører på brintbrændselsceller."

Kiely sagde, at brugen af ​​α-MoC-substratet - en innovation af Ding Ma og hans kolleger ved Peking University i Kina - gjorde det muligt for gruppen at overvinde mangler, der tidligere er rapporteret med at katalysere WGS-reaktionen.

"Det har længe været kendt, at guld understøttet på forskellige oxidsubstrater kunne fremkalde WGS-reaktionen. Det knasende punkt til dato har været, at generelt var den katalytiske aktivitet for lav, og uvægerligt var katalysatoren ikke stabil nok til langtidsbrug."

Gruppen rapporterede sine resultater 28. juli i et papir med titlen "Atomic-laged Au clusters on alpha-molybdenum carbide (α-MoC) as catalyss for the low-temperature water-gas shift react."

Ud over Kiely, avisens forfattere inkluderer Li Lu, en Lehigh Ph.D. kandidat, og Wu Zhou, der tjente sin ph.d. ved Lehigh i 2010 og er nu professor ved University of the Chinese Academy of Sciences i Beijing.

De andre forfattere er tilknyttet Peking University, Dalian University of Technology, Synfuels Kina og Taiyuan University of Technology, alt i Kina, og Oak Ridge, Brookhaven og Lawrence Berkeley National Laboratories i USA. Den ledende videnskabsmand i arbejdet er Ding Ma, en professor i College of Chemistry and Molecular Engineering og College of Engineering ved Peking University i Beijing.

For at opnå høj katalytisk aktivitet ved lav temperatur (dvs. under de 150 grader C. nødvendig for effektivt at drive en brændselscelle), gruppen spredte guldet på et karbid (α-MoC) i stedet for jernoxidet, ceriumoxid eller andre reducerbare oxidsubstrater, der tidligere er prøvet til WGS-reaktionen. Den nye katalysatorformulering viste sig at være mere stabil end konventionelle katalysatorer, samtidig med at man opnår meget større aktivitet, et mål for en katalysators effektivitet.

"Skønheden ved α-MoC-understøttelsen, " sagde Kiely, "er, at det kan aktivere vandet, så det skaber aktive overflade hydroxyl (OH) arter, som så kan reagere med CO og give brint og CO2. Carbidunderstøtningen spiller derfor en meget stærk og kritisk rolle i denne reaktion.

"Dette system fungerer meget godt ved de temperaturer og tryk, der er nødvendige for brændselscelleapplikationer, og dets aktivitet er en størrelsesorden bedre end tidligere prøvede guldbaserede katalysatorer."

I undersøgelser udført med Lehighs aberrationskorrigerede scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM), gruppen viste, at guldet findes i to forskellige former på α-MoC-understøtningen.

"Mikroskopien har vist, at guldet findes som nanoskala -tømmerflåder, der kun er nogle få atomer tykke og også som individuelle guldatomer spredt over støtten, " sagde Kiely, der leder Lehigh's Elektronmikroskopi og Nanofabrikation Facility.

"Vi målte den katalytiske aktivitet med begge disse arter til stede på α-MoC-understøtningen. Derefter fjernede vi selektivt partiklerne, efterlader kun atomerne. Da vi gjorde dette, aktiviteten faldt til mindre end en tiendedel af dets oprindelige niveau. Det viste os, at det meste af aktiviteten kommer fra disse flådelignende partikler."

Artiklen er den niende Kiely har publiceret til dato i Science; han har også udgivet fire i Nature. De to publikationer anses for at være verdens førende videnskabelige tidsskrifter.

Tidligere på måneden, Kiely modtog en af ​​de højeste udmærkelser inden for sit felt, da han blev optaget som fellow i Microscopy Society of America.

MSA Fellow-betegnelsen anerkender årligt senior fremtrædende medlemmer af samfundet, hvis præstationer og service har ydet væsentlige bidrag til at fremme områderne mikroskopi og mikroanalyse.

Kiely blev citeret for "fornemme bidrag til karakteriseringen af ​​nanoskalaegenskaber i partikelformige materialer og grænseflader, især inden for områderne katalysatormaterialer, nanopartikel-selvsamlingsfænomener, kulstofholdige materialer, og halvleder heterointerfaces. "