Lovende nye katalysatorer til brintbrændselsceller

Brintbrændselsceller lover meget som bæredygtige og miljøvenlige energikilder til at drive transport til lands, i luften og til vands. Men traditionelle katalysatorer, der bruges til at drive kemiske reaktioner i brintbrændselsceller, er for dyre og ineffektive til at retfærdiggøre et stort kommercielt skift væk fra eksisterende teknologier.

I ny tværfaglig forskning offentliggjort i ACS Catalysis , nordøstlige videnskabsmænd har identificeret en ny klasse af katalysatorer, der på grund af deres særlige ikke-ædelmetalkarakter kunne erstatte den platinbaserede standard, der har forhindret brint i at udvikle sig i brændstofsektoren.

"Vi går hurtigt over til elektriske transportformer, og som jeg ser det, er batterier kun en overgangsfase," siger Sanjeev Mukerjee, en fremtrædende professor i kemi og kemisk biologi ved Northeastern, som er medforfatter til undersøgelsen. "Det er ikke det ultimative svar på at erstatte fossile brændstoffer."

Det er i brint, eller "brintbærere" - større molekyler, hvor brint kun er en del - at svaret ligger, siger han. Det mest udbredte grundstof i universet, brint fungerer som en energibærer og kan adskilles fra vand, fossile brændstoffer eller biomasse og udnyttes som brændstof. Brintbrændselsceller omdanner brint til elektricitet; og i modsætning til forbrændingsmotoren, som producerer giftige og kræftfremkaldende kemiske biprodukter, producerer brintbrændselsceller kun vand - faktisk drikkevand - som et resultat af den kemiske reaktion.

"Den største flaskehals lige nu er én:Infrastruktur til brændstoffet, dvs. brint eller en brintbærer; og nummer to er de høje omkostninger ved katalysatorer, fordi den nuværende state-of-the-art kræver ædelmetaller," siger Mukerjee . "Så der er dobbelte bestræbelser på både at sænke ædelmetalbelastningen og finde mere bæredygtige katalysatorer ved hjælp af elementer, der er meget rigelige på jorden."

Katalysatorer bruges i brintbrændselsceller til at fremskynde energiomdannelsesprocessen, kaldet iltreduktionsreaktionen. En bæredygtig katalysator er en, der er lavet af "jordrige materialer", og en, der, når ilt indføres i den kemiske reaktion, ikke producerer kulstof, siger Arun Bansil, universitetsprofessor i fysik ved Northeastern og medforfatter af undersøgelse.

Som det fortæller, har forskere i Nordøstlandet kigget på en specifik klasse af katalysatorer, nemlig såkaldte "nitrogen-koordinerede jernkatalysatorer", som potentielt bæredygtige kandidater. En nitrogenkoordineret jernkatalysator er molekylært defineret som et jernatom omgivet af fire nitrogenatomer. Nitrogenatomerne kaldes "ligander" eller molekyler, der binder sig til et centralt metalatom for at danne et større kompleks.

"Dette er en velkendt struktur," siger Bansil. "Det, vi har vist meget afgørende i denne artikel, er, at ved at tilføje en femte ligand - det vil sige fire nitrogener plus en anden - kan det føre til en meget mere stabil og robust elektrokatalysator og derved åbne et nyt paradigme eller vej for det rationelle design af denne klasse af katalysatorer til applikationer til brændselsceller."

Bansil siger, at den femte ligand også forbedrer katalysatorens holdbarhed. The reason, he says, is "it appears that this fifth ligand manages to keep the iron in the plane of the iron-nitrogen when oxygen is added into this structure."

If the fifth ligand is not there, Bansil says, the iron is dislodged from the plane of the iron-nitrogen in many of these complexes when the oxygen is put in, thereby making the catalyst "less durable."

Researchers used X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy, techniques used in computational chemistry, to observe these effects.

"It's not enough to just know that something seems to be working better—it's important to know why it is working better," he says. "Because then we are in a position to develop improved materials through a rational design process."

Northeastern staff scientist Qingying Jia and Bernardo Barbiellini, a computational and theoretical physicist at the Lappeenranta University of Technology, who is currently visiting Northeastern, participated in the research.

The advancement represents several "firsts" in the field, Mukerjee says.

"The computational approach has helped us identify the catalytic sites as they evolve during preparation, and it also helped provide a picture of which of these [catalysts] are more stable," he says. + Udforsk yderligere

New iron catalyst could make hydrogen fuel cells affordable