Carbonbelagt nikkel muliggør en brintbrændselscelle fri for ædle metaller

En nitrogen-doteret, kulstofbelagt nikkelanode kan katalysere en essentiel reaktion i brintbrændselsceller til en brøkdel af prisen på de ædle metaller, der i øjeblikket anvendes, har forskere fra Cornell University fundet.

Den nye opdagelse kan fremskynde den udbredte brug af brintbrændselsceller, som lover meget som effektive, rene energikilder til køretøjer og andre applikationer.

Det er en af ​​en række opdagelser for Héctor D. Abruña-laboratoriet i deres igangværende søgen efter aktive, billige, holdbare katalysatorer til brug i alkaliske brændselsceller.

"Denne opdagelse gør fremskridt i retning af at bruge effektive, rene brintbrændselsceller i stedet for fossile brændstoffer," sagde Abruña, Emile M. Chamot-professor ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi ved College of Arts and Sciences.

Resultaterne offentliggjort 21. marts i "A Completely Precious-Metal-Free Alkaline Fuel Cell With Enhanced Performance Using a Carbon-Coated Nickel Anode," i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Dyre ædle metaller, såsom platin, er i øjeblikket nødvendige i brintbrændselsceller for effektivt at katalysere de reaktioner, de anvender til at producere elektricitet. Selvom alkaliske polymerelektrolytmembranbrændselsceller (APEMFC'er) muliggør brugen af ​​ikke-ædelmetalelektrokatalysatorer, mangler de den nødvendige ydeevne og holdbarhed til at erstatte ædelmetalbaserede systemer.

En brændselscelle producerer elektricitet gennem hydrogenoxidationsreaktionen (HOR) og en oxygenreduktionsreaktion (OOR). Platin er især en modelkatalysator for begge reaktioner, fordi det katalyserer dem effektivt og er holdbart i det sure miljø i en PEM-brændselscelle, sagde Abruña.

Men hvad med andre materialer?

Nylige eksperimenter med ikke-ædelmetal HOR-elektrokatalysatorer havde til formål at overvinde to store udfordringer, skrev forskerne:lav iboende aktivitet fra en for stærk hydrogenbindingsenergi og dårlig holdbarhed på grund af hurtig passivering fra metaloxiddannelse.

For at overvinde disse udfordringer designede forskerne en nikkel-baseret elektrokatalysator med en 2-nanometer skal lavet af nitrogen-doteret kulstof.

Deres brintbrændselscelle har en anode (hvor brint er oxideret) katalysator bestående af en fast nikkelkerne omgivet af kulstofskallen. Når den er parret med en kobolt-mangan-katode (hvor oxygen reduceres), yder den resulterende fuldstændig ædelmetalfri brintbrændselscelle mere end 200 milliwatt pr. kvadratcentimeter.

Tilstedeværelsen af ​​nikkeloxidarter på overfladen af ​​nikkelelektroden bremser hydrogenoxidationsreaktionen dramatisk, sagde Abruña. Den nitrogen-doterede kulstofbelægning tjener som et beskyttelseslag og forbedrer HOR-kinetikken, hvilket gør reaktionen hurtigere og meget mere effektiv.

Derudover forhindrer tilstedeværelsen af ​​grafenbelægningen på nikkelelektroden dannelsen af ​​nikkeloxider - hvilket resulterer i elektroder med dramatisk forbedret levetid. Disse elektroder er også meget mere tolerante over for kulilte, som hurtigt forgifter platin.

"Brugen af ​​denne nye anode vil dramatisk sænke priserne, hvilket muliggør anvendelsen af ​​alkaliske brændselsceller i en lang række områder," sagde Abruña.

Medforfattere omfatter Francis DiSalvo, John A. Newman emeritus professor i kemi; Yao Yang, Ph.D. '21; David Muller, Samuel B. Eckert professor i ingeniørvidenskab ved College of Engineering og meddirektør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, samt samarbejdspartnere fra Wuhan University i laboratoriet i Lin Zhuang og University of Wisconsin, Madison med Manos Mavrikakis.

I februar fandt Abruña og kolleger, herunder DiSalvo, ud af, at en koboltnitridkatalysator er næsten lige så effektiv som platin til at katalysere iltreduktionsreaktionen. + Udforsk yderligere

Nye katalysatorer styrer brintbrændselsceller ind i mainstream