Nyt katalysatormateriale kan forårsage ren energi -revolution

Brændselsceller og vandelektrolysatorer, der er billige og effektive, vil danne hjørnesten i en brintbrændstofbaseret økonomi, som er et af de mest lovende rene og bæredygtige alternativer til fossile brændstoffer. Disse enheder er afhængige af materialer kaldet elektrokatalysatorer til at fungere, så udviklingen af ​​effektive og billige katalysatorer er afgørende for at gøre brintbrændstof til et levedygtigt alternativ. Forskere ved Aalto universitet har udviklet et nyt katalysatormateriale til forbedring af disse teknologier.

Oxygenreduktionsreaktionen (ORR) og oxygenudviklingsreaktionen (OER) er de vigtigste elektrokemiske reaktioner, der begrænser effektiviteten af ​​brintbrændstofceller (til drivkøretøjer og elproduktion), vandelektrolysatorer (til ren brintproduktion), og metal-luftbatterier med høj kapacitet. Fysikere og kemikere hos Aalto samarbejder med forskere på CNRS France, og Wien i Østrig har udviklet en ny katalysator, der driver disse reaktioner mere effektivt end andre bifunktionelle katalysatorer, der i øjeblikket er tilgængelige. Forskerne fandt også, at den nye elektrokatalytiske aktivitet af deres nye katalysator kan ændres betydeligt afhængigt af valg af det materiale, hvorpå katalysatoren blev deponeret.

"Vi ønsker at erstatte traditionelle dyre og knappe katalysatorer baseret på ædle metaller som platin og iridium med meget aktive og stabile alternativer sammensat af billige og jordfyldte elementer som overgangsmetaller, kulstof og nitrogen. "siger Dr. Mohammad Tavakkoli, forskeren ved Aalto, der ledede arbejdet og skrev papiret.

I samarbejde med CNRS producerede teamet en meget porøs grafen -carbon nanorør hybrid og dopede den med enkelte atomer af andre elementer, der vides at lave gode katalysatorer. Graphen og carbon nanorør (CNT) er de ét atom-tykke to- og endimensionelle allotroper af kulstof, henholdsvis, som har tiltrukket enorm interesse i både den akademiske verden og industrien på grund af deres fremragende egenskaber sammenlignet mere traditionelle materialer. De udviklede en let og skalerbar metode til at dyrke disse nanomaterialer på samme tid, kombinerer deres egenskaber i et enkelt produkt. "Vi er et af de førende teams i verden for skalerbar syntese af dobbeltvæggede carbon nanorør. Innovationen her var at ændre vores fremstillingsproces for at forberede disse unikke prøver, "sagde Dr. Emmanuel Flahut, forskningsdirektør hos CNRS.

I denne et-trins proces, de kunne også dope grafen med nitrogen- og/eller metalliske (kobolt og molybdæn) enkeltatomer som en lovende strategi til fremstilling af enkeltatomkatalysatorer (SAC'er). Inden for katalysevidenskab, det nye område af SAC'er med isolerede metalatomer spredt på faste understøtninger har tiltrukket stor forskningsopmærksomhed på grund af den maksimale atomudnyttelseseffektivitet og de unikke egenskaber ved SAC'er. Sammenlignet med konkurrerende strategier til fremstilling af SAC'er, metoden, der bruges af Aalto &CNRS -teamet, giver en let metode, der finder sted i et trin, holde omkostningerne nede.

Katalysatorunderlag kan øge ydeevnen

Katalysatorer deponeres normalt på et underliggende substrat. Den rolle, dette substrat spiller for katalysatorens endelige reaktivitet, negligeres normalt af forskere, dog for denne nye katalysator, forskerne opdagede, at substratet spillede en vigtig rolle i dets effektivitet. Teamet fandt porøs struktur af deres materiale giver adgang til mere aktive katalysatorsteder dannet ved dets grænseflade med substratet, så de udviklede en ny elektrokemisk mikroskopi analysemetode til at måle, hvordan denne grænseflade kunne bidrage til at katalysere reaktionen og producere den mest effektive katalysator. De håber, at deres undersøgelse af substrateffekter på porøse materialers katalytiske aktivitet danner grundlag for en rationel konstruktion af højtydende elektroder til de elektrokemiske energienheder og giver retningslinjer for fremtidige undersøgelser.