Opdagelse af organisk katalysator kan føre til billigere brændselsceller

Med atmosfærisk kuldioxid på rekordhøje niveauer bliver søgningen efter ren energi alternativer til brugen af ​​fossile brændstoffer stadig mere presserende.

En hindring, som forskerne står over for, er, at den nuværende brændselscelleteknologi er afhængig af brugen af ​​dyre metalkatalysatorer som platin til at omdanne brint til energi; dog har et hold fra University of Virginia's College og Graduate School of Arts &Sciences identificeret et organisk molekyle, der kunne være en effektiv og billigere erstatning for konventionelle metalkatalysatorer.

Brændselscellerne, der gør elektriske køretøjer og industri- og boliggeneratorer mulige, og som er nødvendige for at lagre energi genereret af vind eller solen, bruger metaller som platin til at udløse den kemiske reaktion, der splitter brændstofkilder som brintgas i protoner og elektroner, som derefter udnyttes som elektricitet.

Indtil nu har organiske erstatninger for sjældne metalkatalysatorer ikke været anset for praktiske, fordi katalyseprocessen får dem til at nedbrydes til komponentdele, der ikke længere er nyttige. I et papir offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , dog lektorer i kemi Charles Machan og Michael Hilinski sammen med ph.d. studerende Emma Cook og Anna Davis, identificerer et organisk molekyle sammensat af kulstof, brint, nitrogen og fluor, som har potentialet til at være en praktisk erstatning.

Molekylet kan ikke kun igangsætte reduktionen af ​​oxygen - den reaktion, der finder sted inde i brændselscellen - sagde Machan; det kan fortsætte med at reagere med reaktionsprodukterne og derefter vende tilbage til sin oprindelige tilstand.

"Disse molekyler er stabile under forhold, hvor de fleste molekyler nedbrydes, og de fortsætter med at opnå aktivitet, der matcher niveauet af overgangsmetalkatalysatorer," sagde Machan.

Fundet udgør et væsentligt skridt fremad i søgen efter effektive brændselsceller, der bruger materialer, der er mere bæredygtige og billigere at producere, og som kan resultere i udviklingen af ​​den næste generation af brændselsceller inden for de næste fem til ti år, men holdets resultater er kun begyndelsen.

"Dette molekyle i sig selv gør det muligvis ikke til en brændselscelle," sagde Machan. "Dette fund siger, at der kan være kulstofbaserede katalytiske materialer, og hvis du modificerer dem med bestemte kemiske grupper, kan du håbe på at gøre dem til gode katalysatorer for iltreduktionsreaktionen. Det endelige mål er at integrere de egenskaber, der gør dette molekyle så stabilt til et bulkmateriale for at erstatte brugen af ​​platin."

Hilinski, hvis forskergruppe fokuserer på organisk kemi, understregede vigtigheden af ​​forskerholdets tværfaglige karakter. "Dette molekyle, som vi bruger som katalysator, har en historie i mit laboratorium, men vi har altid undersøgt dets anvendelse i kemiske reaktioner, der udføres på meget større, kulstofholdige molekyler - som de aktive ingredienser i medicin," sagde Hilinski.

"Uden Charlie Machans ekspertise tror jeg ikke, vi ville have skabt forbindelsen til brændselscellekemi."

Opdagelsen kan også få konsekvenser for den industrielle produktion af brintoverilte, et husholdningsprodukt, der også bruges til fremstilling af papir og rensning af spildevand.

"Processen med at fremstille brintoverilte er miljøvenlig og meget energikrævende," sagde Machan. "Det kræver højtemperatur dampreformering af metan for at frigive det brint, der bruges til at generere det."

Hans teams resultater kunne også forbedre den katalytiske komponent af denne proces, hvilket kan have positive indvirkninger på både industrien og miljøet såvel som på vandbehandlingsteknologien.

Hilinski påpegede også, at opdagelsen og det samarbejde, der førte til det, kunne have konsekvenser, der rækker langt ud over energilagring. "Det store billede, en af ​​de mest spændende ting ved denne undersøgelse er, at vi ved at elektrificere katalysatoren har ændret den måde, den reagerer på. Dette er noget uventet, som også kunne være nyttigt for syntesen af ​​medicin, som min forskergruppe er ivrig efter at udforske."

Machan, hvis forskergruppe fokuserer på molekylær elektrokemi, krediterer også forskerholdets tværfaglige karakter for opdagelsen.

"Uden Mike Hilinskis gruppes knowhow i at lave stabile organiske molekyler, der kan gennemgå den slags reaktioner, der er nødvendige, ville arbejdet ikke have været muligt. Dette unikke, organiske molekyle gjorde os i stand til at gøre noget, som normalt kun overgangsmetaller kan." sagde Machan.

Flere oplysninger: Emma N. Cook et al., Metal-Free Homogeneous O2 Reduction by an Iminium-Based Electrocatalyst, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14549

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Leveret af University of Virginia