Lego-lignende kemiske byggeklodser samler sig selv til katalysator til brintbrændselsceller

Hvad er bedre end platin?

I brintbrændstofceller, svaret er cofacial koboltporfyriner.

Det er en mundfuld at sige, og hvis du ikke er kemiker, du har sikkert aldrig hørt om disse forbindelser før. Men disse molekyler - som er gode til at lette en kemisk reaktion, der er nødvendig for at producere strøm fra brint og ilt - kan være det næste store fremskridt inden for alternativ energi.

Forbindelserne samler sig selv i laboratoriet af Lego-lignende kemiske byggeklodser, der er designet til at passe sammen. Det er ryst-og-bag-teknologi:Forskere tilføjer stykkerne til en kolbe, rør dem sammen og tilsæt varme. Over tid, byggestenene samles de rigtige steder for at danne de endelige komplekser.

Materialet er billigt og nemt at producere i store mængder. Dette gør den til en ideel kandidat til at erstatte kostbare platinkatalysatorer, der bruges i brintbrændselsceller i dag, siger Timothy Cook, Ph.D., assisterende professor i kemi ved universitetet ved Buffalo College of Arts and Sciences, hvis team har designet de nye selvsamlede forbindelser.

En sådan teknologi kan en dag gøre det muligt for bilproducenter at sænke prisen på brintbiler, sætter de miljøvenlige køretøjer inden for rækkevidde for flere forbrugere. Billige brændselsceller kan også drive udviklingen af ​​andre brintdrevne enheder, såsom backup generatorer. Brint betragtes som en ren energikilde, fordi brændselsceller kun udsender vand som et biprodukt.

"For at få prisen på brintbiler ned og gøre dem til en realistisk mulighed for flere mennesker, vi har brug for en katalysator, der er billigere end platin, " siger Cook. "Den katalysator, vi lavede, kan samles selv i enorme mængder. Det har ruthenium og kobolt i sig - meget billigere metaller - og, endnu, den virker lige så godt eller bedre end en kommercielt tilgængelig platinkatalysator, som vi testede sammen med den."

En undersøgelse, der beskriver det nye materiale, blev offentliggjort den 29. maj i Kemi:A European Journal . Cooks medforfattere omfattede førsteforfatter Amanda N. Oldacre, en nylig UB kemi Ph.D. bestå; UB kemi Ph.D. studerende Matthew R. Crawley; og Alan E. Friedman, Ph.D., forskningslektor i materialedesign og innovation ved UB School of Engineering and Applied Sciences.

En selvfremstillende katalysator

Cooks laboratorium har specialiseret sig i molekylær selvsamling, en kraftfuld proces til at skabe nye materialer.

"Når jeg tænker på molekylær selvsamling, Jeg tænker altid på lego, "siger han." Du har byggesten, der er designet til at passe sammen, som brikker i et puslespil. Disse byggesten tiltrækkes af hinanden, og når du sætter dem sammen og tilføjer energi, de kommer sammen af ​​sig selv.

"Selvsamling er en fantastisk måde at lave et komplekst molekyle på. Normalt, at syntetisere et nyt materiale, du skal tilføje stykker en efter en, hvilket tager tid og penge. Molekylær selvsamling er hurtigere - det er en et-trins proces."

Cofacial cobalt porphyriner består af to flade molekyler kaldet cobalt porphyriner, som er stablet oven på hinanden som sandwichbrød og forbundet med ruthenium "clips".

For at skabe de endelige forbindelser, Cooks laboratorium designede porphyriner og clips med kemiske egenskaber, der sikrede, at de ville forbindes til hinanden på de rigtige steder. Holdet blandede derefter en opløsning af porfyrinerne med clipsene og tilføjede varme. Om to dage, stykkerne havde samlet sig selv for at danne cofaciale koboltporfyriner.

En katalysator inspireret af naturen

Ligesom platinkatalysatoren, de er designet til at erstatte, cofacial koboltporphyrinerne letter en kemisk reaktion i brintbrændselsceller kaldet iltreduktion. Dette indebærer opdeling af et iltmolekyle i to separate iltatomer, der derefter kan binde sig med hydrogen for at danne vand - en interaktion, der producerer energi.

Forskere har længe vidst, at porphyriner er gode til at fange og spalte ilt:I den menneskelige krop, jernbaserede versioner af disse molekyler er ansvarlige for at hjælpe med at omdanne den ilt, vi indånder, til vand, frigivelse af energi i processen, siger Cook.

Men det har været svært at designe kunstige porphyrinstrukturer, der fungerer som katalysatorer, tilføjer han. Processen med at skabe disse forbindelser er normalt dyr, involverer mange trin og genererer meget lidt materiale til sidst.

Selvsamling løser disse problemer:Cooks team skabte 79 gram cofacial koboltporphyriner for hver 100 gram startmateriale - meget bedre end det mindre end 1 procent udbytte, som andre laboratorier har rapporteret, når de syntetiserede lignende materialer. Ud over, hans team var i stand til nemt at udskifte og teste ruthenium-clips af forskellig længde for at finjustere forbindelsens elektrokemiske kvaliteter med henblik på at designe en ideel katalysator.

"Det er virkelig givende at arbejde på den grundlæggende kemi i dette projekt, som kan have stor indflydelse på kulstofneutral energiomsætning, " siger Oldacre, den første forfatter. "Ved brug af selvmonteringsteknikker, vi er i stand til at lave billigere materialer på 48 timer, uden det svære, tidskrævende oprensningstrin, som andre metoder til at syntetisere nye forbindelser kræver."