Materialeforskere skaber stærkere kobolt til brændselsceller

Et multiinstitutionelt forskerteam ledet af materialeforskere fra Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har designet en yderst aktiv og holdbar katalysator, der ikke er afhængig af dyr platin for at anspore den nødvendige kemiske reaktion.

Den nye katalysator indeholder kobolt blandet med nitrogen og kulstof. Sammenlignet med en lignende struktureret katalysator lavet af jern - en anden lovende, velundersøgt platin erstatning, holdet fandt ud af, at koboltkatalysatoren opnåede en lignende reaktion, men med fire gange så lang holdbarhed.

Holdets forskning, som viser løfte for brændselsceller i transport, blev offentliggjort den 30. november, 2020 udgave af Naturkatalyse .

Søger en erstatning for dyr platin

Protonudvekslingsmembran-eller PEM-brændselsceller forventes typisk at blive parret med brint til flere anvendelser på tværs af forskellige sektorer, herunder transport, stationær og reservestrøm, metalfremstilling, og mere. Disse meget effektive, rene energiomdannelsesanordninger kræver meget aktive katalysatorer til den kemiske reaktion - oxygenreduktionsreaktionen, eller "livsblodet", der får en brændselscelle til at fungere effektivt.

Platingruppemetaller tjener som det mest produktive katalysatormateriale til PEM-brændselsceller, men de står for omkring halvdelen af ​​brændselscelleomkostningerne.

Så forskere studerer overgangsmetaller som jern som et lovende alternativ til platin, men de har fundet ud af, at de hurtigt nedbrydes i det sure PEM -brændselscelle -miljø.

Indtast kobolt, et overgangsmetal, der – i forhold til platin – er billigt og rigeligt. Tidligere undersøgelser havde vist, at kobolt er langt mindre aktiv end jernbaserede katalysatorer.

"Vi vidste, at konfigurationen af ​​kobolt med nitrogen og kulstof var nøglen til, hvor effektivt katalysatoren reagerer, og at tætheden af ​​det aktive sted var kritisk vigtig for ydeevnen, " sagde PNNL-materialeforsker Yuyan Shao, der ledede undersøgelsen. "Vores mål var virkelig at forbedre reaktionsaktiviteten af ​​kobolt-baserede katalysatorer."

Indhegning af atomerne

Holdet immobiliserede kobolt-baserede molekyler i mikroporerne af zeolitiske imidazolat-strukturer, som tjente som beskyttende hegn for at mindske koboltatomernes mobilitet og forhindre dem i at klynge sig sammen. De brugte derefter højtemperaturpyrolyse til at omdanne atomerne til katalytisk aktive steder inden for rammen.

Inden for denne struktur, de opdagede, at tætheden af ​​de aktive steder steg markant, til gengæld øger reaktionsaktiviteten. Det her, faktisk, opnået den højeste aktivitet i brændselsceller rapporteret for ikke-jern, platingruppe metalfrie katalysatorer til dato.

Holdet fandt også, at den koboltbaserede katalysator var meget mere holdbar end den jernbaserede katalysator, der blev syntetiseret ved hjælp af samme tilgang. De opdagede, for første gang, betydelige forskelle i demetallisering, hvor metalioner udvaskes fra katalysatoren, og denne katalysator mister aktivitet. De fandt også, at iltradikaler fra hydrogenperoxid, et biprodukt af iltreduktion i brændselsceller, angribe katalysatorerne og forårsage tab af ydeevne.

Høj aktivitet, større holdbarhed

"Til sidst, vi var ikke kun i stand til at forbedre aktiviteten af ​​den kobolt-baserede katalysator, men vi forbedrede holdbarheden markant, " sagde Shao. "Vores yderligere undersøgelse førte os til at opdage de mekanismer, der typisk nedbryder disse typer katalysatorer."