Fokusering på iltreduktionsreaktionen i søgen efter mere effektive brintceller

En ihærdig postdoc-forsker overtalte professor Marc Koper til at forske i iltreduktionsreaktionen. I Kopers øjne var der lidt interesse der. Men de opdagede straks en helt ny måde at forbedre brændselsceller på brint og ilt. Deres artikel blev vist i Nature Catalysis den 7. juli.

Der er få brintdrevne biler, der kører rundt i Holland:En af dem, en Toyota Mirai, er ejet af Shell Nederland-direktør Marjan van Loon. Marc Koper, professor i katalyse og overfladekemi, sagde:"Hun er en af ​​de få, der rent faktisk kan fylde brint i Holland, hos Shell i Amsterdam."

Toyota arbejder på bedre og mere effektive brændselsceller, for at kunne indføre brintkørsel i stor skala. Men teknologien er ikke nået så langt endnu, da der er to store problemer. For det første er der brug for for meget af det sjældne metalplatin i brændselscellerne. For det andet skal den del af reaktionen, der omdanner oxygen til vand, den såkaldte oxygenreduktionsreaktion, blive mere effektiv.

Svagere iltbinding menes at være den eneste knap at dreje

I årevis har forskere troet, at der kun er én måde at gøre iltreduktionen mere effektiv. I brændselscellen med to poler - anoden og katoden - foregår den reaktion på katoden, hvorpå der er mange små platinpartikler. Ilt nedbrydes der til iltatomer bundet til platinet. Disse atomer reagerer derefter yderligere for at danne det endelige produkt, vand.

Koper:"Den nuværende teori er, at vi skal lede efter en katode, der holder iltatomerne lidt mindre stærkt. Og også, at dette er den eneste knap, du kan dreje for at gøre iltreduktionen lettere. Toyota bruger en katode, der indeholder platin og noget kobolt. Denne kobolt hjælper med at svække iltbindingen til platin. Så den teori fungerer godt."

Koper er en af ​​de mest citerede videnskabsmænd i verden, modtog mange bevillinger og blev tildelt den største og mest prestigefyldte hollandske videnskabspris i 2021. Han modtog Spinoza-prisen på 2,5 millioner euro, blandt andet fordi hans forskning kan bidrage til energiomstillingen. Han undersøger, hvordan elektrisk energi kan hjælpe med at lave eller bryde kemiske forbindelser. Dette vil give dig mulighed for at opbevare grøn strøm, så du kan gemme den til, når solen ikke skinner eller vinden dør.

Men det er ikke det, Koper er interesseret i

Koper er ærlig omkring sine motiver:de er ikke relateret til verdensforbedring. "Jeg vil gerne forstå på atomniveau, hvad der sker, når man sender elektricitet gennem en elektrokemisk celle," sagde han i et interview i anledning af sin Spinoza-pris. Søgen efter en bedre katode til at binde ilt mindre stærkt er ikke så spændende for ham, uanset hvor vigtigt problemet er. "Efter min mening er der ikke meget mere at vinde videnskabeligt ved at finjustere katoden med det bedste forhold mellem kobolt og platin."

Men så kom postdoc Mingchuan Luo til at arbejde for Koper. "Han insisterede på at arbejde på iltreduktion." Koper foreslog derefter at finde ud af, hvad der sker, hvis man leger med sammensætningen af ​​elektrolytten, mediet, der adskiller anoden fra katoden. Elektrolytten indeholder en vis koncentration af negativt ladede ioner:anioner. Luo eksperimenterede med forskellige koncentrationer af anioner.

De opdagede en ny knap at dreje på

Koper:"Vi opdagede så, at reduktionen af ​​ilt nogle gange går hurtigere end forventet, selvom bindingen af ​​ilt til katoden virker stærkere. Den fremherskende idé om, at man kun kan opnå en mere effektiv iltreduktion med en svagere iltbinding, er derfor forkert. Den ser ud til, at de anioner i elektrolytten påvirker en anden proces i iltreduktionsreaktionen. Nemlig:den lethed, hvormed de platinbundne iltatomer omdannes til hydroxid (OH-), det sidste trin, før vi laver vand. Dette giver os en ny knap til at tur, som er fundamentalt anderledes end den sædvanlige."

Så i stedet for kun én vej til mere effektive brintceller, er der mindst to. Dette er meget interessant for Koper, som primært ønsker at forstå, hvad der sker på molekylært niveau, og hvorfor disse anioner spiller en så vigtig rolle. Hans kolleger hos Toyota vil også finde det interessant, selvom de ikke kan gøre store fremskridt med det lige med det samme. "I øjeblikket rejser denne nye indsigt hovedsageligt nye spørgsmål. Vi skal nu ud og finde ud af præcis, hvad der foregår." + Udforsk yderligere

Konvertering af vand til brint mere effektivt