Platinfri katalysatorer kunne lave billigere brintbrændselsceller

De høje omkostninger ved platinkatalysatorer, der anvendes i brintbrændselsceller, begrænser kommercialiseringen af ​​elektriske brændselscellebiler. Forskere studerer alternative katalysatorer for at øge omkostningseffektiviteten og opretholde effektiviteten af ​​brintbrændselsceller.

Forskere ser i stigende grad efter brintbrændselscellesystemer som alternative strømkilder til køretøjer og andre applikationer på grund af deres hurtige tankningstid, høj energitæthed og mangel på skadelige emissioner eller biprodukter.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory har for nylig udviklet og studeret brændselscellekatalysatorer - kemikalier, der fremskynder vigtige brændselscellereaktioner - som ikke bruger platin. Forskningen giver bedre forståelse af de mekanismer, der gør disse katalysatorer effektive, og den nye indsigt kan hjælpe med at informere produktionen af ​​endnu mere effektive og omkostningseffektive katalysatorer.

Kommercielt tilgængelige brintbrændselsceller er afhængige af oxygenreduktionsreaktionen (ORR), som spalter iltmolekyler til iltioner og kombinerer dem med protoner for at danne vand. Reaktionen er en del af den overordnede brændselscelleproces, der omdanner brint og ilt i luft til vand og elektricitet. ORR er en relativt langsom reaktion, begrænser brændselscelleeffektiviteten og kræver en stor mængde platinkatalysator.

"I øjeblikket, oxygenreduktionsreaktionen lettes af platinlegeringskatalysatorer, som er den dyreste komponent i brændselscelleelektroderne, " sagde Deborah Myers, en senior kemiker og leder af Hydrogen and Fuel Cell Materials-gruppen i Argonnes Chemical Sciences and Engineering (CSE) division. "Udbredt, Bæredygtig kommercialisering af brændselscelle-elkøretøjer kræver enten en dramatisk reduktion i mængden af ​​platin, der kræves, eller udskiftning af platinkatalysatorer med dem, der er fremstillet af rigeligt jord, billige materialer som jern."

Den mest lovende platinfri katalysator til brug i ORR er baseret på jern, nitrogen og kulstof. For at fremstille katalysatoren, forskere blander forstadier indeholdende de tre grundstoffer og opvarmer dem mellem 900 og 1100 grader Celsius i en proces kaldet pyrolyse.

Efter pyrolyse, jernatomerne i materialet er bundet med fire nitrogenatomer og indlejret i et plan af grafen, et et-atom tykt lag kulstof. Hvert af jernatomerne udgør et aktivt sted, eller et sted, hvor ORR kan forekomme. En større tæthed af aktive steder i materialet gør elektroden mere effektiv.

"Mekanismerne, hvorved de aktive steder dannes under pyrolyse, er stadig meget mystiske, " sagde Myers. "Vi observerede processen i realtid på atomær skala for at opnå forståelse og informere designet af bedre ydende katalysatorer."

Myers og samarbejdspartnere udførte in situ røntgenabsorptionsspektroskopi ved Materials Research Collaborative Access Team (MR-CAT) ved Argonne's Advanced Photon Source (APS), en US DOE Office of Science User Facility, at afdække materialets opførsel på atomskala under pyrolyse. De rettede en røntgenstråle gennem jernet, nitrogen- og kulstof-forstadier og observerede, hvilke grundstoffer der kemisk bindes til hinanden og hvordan.

Forskerne fandt ud af, at under pyrolysen af ​​jernet, nitrogen og kulstofprækursorblanding, nitrogen-grafen stederne dannes først, og derefter indsætter gasformige jernatomer sig selv på disse steder. De fandt også ud af, at de kan producere en højere tæthed af aktive steder i katalysatoren ved først at indsætte nitrogen i kulstoffet, ved at bruge en teknik kaldet doping, og derefter indføre jern til systemet under pyrolyse, i modsætning til at varme alle tre komponenter sammen.

Under denne proces, forskerne placerer det nitrogen-doterede kulstof i ovnen, og gasformige jernatomer indsætter sig selv i tomrum i midten af ​​grupper af fire nitrogenatomer, danne aktive websteder. Denne tilgang undgår klyngning og nedgravning af jernatomer i hovedparten af ​​kulstoffet, øge antallet af aktive steder på grafenoverfladen.

Undersøgelsen var en del af et større projekt finansieret af DOE Fuel Cell Technologies Office, kaldet Electrocatalysis Consortium (ElectroCat), rettet specifikt mod at drive udviklingen af ​​platinfri katalysatorer til brændselsceller.

ElectroCat ledes af Argonne og DOE's Los Alamos National Laboratory og har medlemmer, herunder DOE's National Renewable Energy Laboratory og Oak Ridge National Laboratory. Denne undersøgelse kom ud af et samarbejde mellem ElectroCat og Northeastern University.

"Vores mission som et af de centrale nationale laboratoriemedlemmer i ElectroCat er ikke kun at udvikle vores egne katalysatorer i konsortiet, men også for at støtte samarbejder med universiteter og industri, " sagde Myers.

Konklusionerne af denne undersøgelse hjælper med at lukke videnskløften mellem input-prækursorer og den resulterende struktur af katalysatoren efter pyrolyse. Den afgørende opdagelse giver forskere en mulighed for at øge tætheden af ​​det aktive sted i materialet, og gruppen vil fortsætte med at udvikle mere aktive og stabile platinfrie katalysatorer til brug i brintbrændselsceller.

Et papir, der skitserer resultaterne af undersøgelsen, med titlen "Evolutionsvej fra jernforbindelser til Fe1(II)-N4-steder gennem gasfasejern under pyrolyse, " blev offentliggjort den 27. december, 2019, i Journal of the American Chemical Society .