Undersøgelse identificerer nøgleingrediensen til overkommelige brændselscellekatalysatorer

For at gøre brændselsceller mere overkommelige har forskere brugt årtier på at lede efter billige katalysatorer til at erstatte platin og andre dyre metaller.

Dette inkluderer at eksperimentere med forskellige kombinationer af tre rigelige og relativt billige materialer:jern, nitrogen og kulstof. Resultaterne har indtil videre været ujævne. Forskere kan gøre jern-nitrogen-kulstof-katalysatoren holdbar eller effektiv, men ikke begge dele.

En ny University at Buffalo-ledet undersøgelse kan tilbyde en løsning. I tidsskriftet Nature Catalysis , rapporterer forskere, hvordan tilføjelse af brint til fremstillingsprocessen skaber en stærk og effektiv katalysator, der nærmer sig platins ydeevne.

Fremskridtet antyder et vigtigt skridt hen imod at hjælpe brændselscelleteknologi med at leve op til sit potentiale som en forureningsfri leverandør af elektricitet til biler, lastbiler, tog, fly og andre tunge køretøjer.

"I årevis har det videnskabelige samfund kæmpet for at balancere denne afvejning. Vi kan lave lave omkostninger, der er effektive, men for let nedbrydes. Eller vi har gjort dem meget stabile, men deres ydeevne kunne ikke matche platin. Med dette arbejde, vi har taget et skridt i retning af at løse dette problem," siger undersøgelsens tilsvarende forfatter, Gang Wu, Ph.D., professor ved Institut for Kemi- og Biologisk Teknik på School of Engineering and Applied Sciences.

Arbejdet bygger på tidligere forskning ledet af Wu, som beskrev jern-nitrogen-kulstof-katalysatorer, der, selvom de var holdbare, kæmpede for at fremskynde vigtige kemiske reaktioner i brændselsceller.

Den nye undersøgelse behandlede denne begrænsning under en fremstillingsproces kaldet pyrolyse, som involverer brug af ekstremt varme temperaturer til at kombinere materialer.

Under pyrolyse bandt forskere fire nitrogenatomer til jernet i et højtemperaturkammer. De indlejrede derefter dette materiale i et par lag grafen, som er en sej, let og fleksibel form for kulstof.

Normalt foregår denne proces i et kammer med en inert gas, såsom argon. Men denne gang fodrede forskere brint ind i kammeret for at skabe en blanding af 90 % argon og 10 % brint.

Som et resultat var forskerne i stand til mere præcist at kontrollere sammensætningen af ​​katalysatoren. Specifikt var de i stand til at placere to forskellige jern-nitrogen-carbon-forbindelser (den ene indeholdt 10 carbonatomer, den anden indeholdt 12 carbonatomer) i positioner, der understøtter holdbarhed og effektivitet.

Den resulterende katalysator nåede den oprindelige brændselscelleydelse langt ud over Department of Energy's mål for 2025. Den viste sig også mere holdbar end de fleste jern-nitrogen-kulstof-katalysatorer og nærmede sig en typisk lav-platin-katode, der bruges til brændselsceller.

Flere oplysninger: Justering af den termiske aktiveringsatmosfære bryder aktivitet-stabilitet-afvejningen af ​​Fe-N-C oxygenreduktion brændselscellekatalysatorer. Naturkatalyse (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01062-8

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af University at Buffalo