Bæredygtig transport:Rensning af luften på nitrogendoping

Proton-udvekslingsmembran (PEM) brændselsceller er en energilagringsteknologi, der vil hjælpe med at sænke transportens miljømæssige fodaftryk. Disse brændselsceller gør brug af en kemisk reaktion kendt som iltreduktion. Denne reaktion har brug for en billig katalysator til udbredte kommercielle anvendelser. Nitrogen-doteret kulstof er en sådan katalysator, men de kemiske detaljer om, hvordan nitrogendoping virker, er ret kontroversielle. En sådan viden er vigtig for at forbedre funktionen af ​​PEM-brændselsceller i fremtidige teknologier.

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i Angewandte Chemie International udgave, forskere fra University of Tsukuba rapporterede kemiske detaljer til optimering af iltreduktionsreaktionen i PEM-brændselsceller under sure forhold. Denne konfiguration hjælper kulstofkatalysatoren med at adsorbere oxygen på en måde, der gør det muligt for brændselscellen at fungere.

Nitrogen kan vedtage forskellige bindingskonfigurationer, såsom pyridin, i nitrogen-doterede kulstofkatalysatorer. Årevis, forskere har forsøgt at bestemme, hvilke bindingskonfigurationer der er kilden til elektrolytisk aktivitet i PEM-brændselsceller. Resultaterne af sådanne undersøgelser kan være uklare, medmindre reaktionsmekanismerne er afklaret med kontrolleret binding og krystallografisk orientering af nitrogenatomet på katalysatorerne.

"Vi afsatte syv nitrogenholdige molekyler på en parakrystallinsk carbon black-katalysator for at lave modelkatalysatorer med homogene strukturer, " siger hovedforfatter professor Kotaro Takeyasu. "Vi fandt ud af, at 1, 10-phenanthrolin, med to pyridiniske nitrogenatomer ved lænestolens kanter af katalysatoren, havde den højeste aktivitet med reference til strømtæthed."

Svovlsyre forsurede nitrogenatomerne i katalysatoren fuldstændigt. Ved påføring af en passende spænding under iltmættede forhold, de protonerede nitrogenatomer i katalysatoren blev reduceret. Dette skyldtes den samtidige oxygenadsorption, fordi der ikke var nogen reduktion i kvælstofmættede forhold.

"Beregninger af densitetsfunktionsteori indikerer også, at oxygenadsorption fremmer reduktionen af ​​fuldt protonerede nitrogenatomer, " forklarer senior forfatter, Professor Junji Nakamura. "Dermed, ilt absorberes på katalysatoren og på samme tid, nitrogenatomerne reduceres for yderligere katalytiske cyklusser."

Nuværende PEM-brændselsceller bruger platinkatalysatorer. Fordi platin er et sjældent metal, er det ikke en realistisk mulighed for kommercielle applikationer på lang sigt. Dermed, platinkatalysatorer vil ikke gøre det muligt for PEM-brændselsceller at bidrage til en kulstoffattig økonomi. Resultaterne beskrevet her vil hjælpe forskere med at forbedre ydeevnen af ​​kulstofbaserede katalysatorer til PEM-brændselsceller og forbedre bæredygtigheden af ​​transport.