Wetenschappers hebben een nieuwe lage-temperatuurkatalysator ontwikkeld voor het produceren van zeer zuiver waterstofgas en tegelijkertijd het verbruik van koolmonoxide (CO). De ontdekking beschreven in een paper set om online te publiceren in het tijdschrift Wetenschap op donderdag, 22 juni 2017-zou de prestaties kunnen verbeteren van brandstofcellen die op waterstofbrandstof werken maar vergiftigd kunnen zijn door CO.

"Deze katalysator produceert een zuiverdere vorm van waterstof om in de brandstofcel te voeden, " zei José Rodriguez, een chemicus bij het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Rodriguez en collega's in Brookhaven's Chemistry Division - Ping Liu en Wenqian Xu - behoorden tot het team van wetenschappers die hielpen bij het karakteriseren van de structurele en mechanistische details van de katalysator, die werd gesynthetiseerd en getest door medewerkers van de Universiteit van Peking in een poging onder leiding van professor scheikunde Ding Ma.

Omdat de katalysator bij lage temperatuur en lage druk werkt om water (H2O) en koolmonoxide (CO) om te zetten in waterstofgas (H2) en kooldioxide (CO2), het zou ook de kosten van het uitvoeren van deze zogenaamde "watergasverschuivingsreactie" kunnen verlagen.

"Bij lage temperatuur en druk, het energieverbruik zal lager zijn en de experimentele opstelling zal goedkoper en gemakkelijker te gebruiken zijn in kleine opstellingen, zoals brandstofcellen voor auto's, ' zei Rodríguez.

De goud-carbide verbinding

De katalysator bestaat uit clusters van gouden nanodeeltjes die gelaagd zijn op een molybdeen-carbidesubstraat. Deze chemische combinatie is heel anders dan de op oxide gebaseerde katalysatoren die worden gebruikt om de watergasverschuivingsreactie aan te drijven in grootschalige industriële waterstofproductiefaciliteiten.

"Carbiden zijn chemisch reactiever dan oxiden, " zei Rodríguez, "en het goud-carbide-grensvlak heeft goede eigenschappen voor de watergasverschuivingsreactie; het heeft een betere wisselwerking met water dan pure metalen."

"De groep van de Universiteit van Peking ontdekte een nieuwe synthetische methode, en dat was een echte doorbraak, " zei Rodriguez. "Ze hebben een manier gevonden om een ​​specifieke fase - of configuratie van de atomen - te krijgen die zeer actief is voor deze reactie."

Wetenschappers van Brookhaven speelden een sleutelrol bij het ontcijferen van de redenen voor de hoge katalytische activiteit van deze configuratie. Rodríguez, Wenqian Xu, en Siyu Yao (toen een student aan de Universiteit van Peking maar nu een postdoctoraal onderzoeker aan Brookhaven) voerden structurele studies uit met behulp van röntgendiffractie bij de National Synchrotron Light Source (NSLS) terwijl de katalysator werkte onder industriële of technische omstandigheden. Deze operando-experimenten onthulden cruciale details over hoe de structuur veranderde onder verschillende bedrijfsomstandigheden, ook bij verschillende temperaturen.

Met die structurele details in de hand, Zhijun Zuo, een gasthoogleraar aan Brookhaven van de Taiyuan University of Technology, China, en Brookhaven-chemicus Ping Liu hielpen modellen en een theoretisch kader te ontwikkelen om uit te leggen waarom de katalysator werkt zoals hij werkt, met behulp van computationele middelen bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN).

"We hebben verschillende interfaces van goud en molybdeencarbide gemodelleerd en het reactiemechanisme bestudeerd om precies te identificeren waar de reacties plaatsvinden - de actieve plaatsen waar atomen zich binden, en hoe banden worden verbroken en hervormd, " ze zei.

Aanvullende studies bij het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) van het Oak Ridge National Laboratory, de geavanceerde lichtbron (ALS) in het Lawrence Berkeley National Laboratory, en twee synchrotron-onderzoeksfaciliteiten in China droegen bij aan het begrip van de wetenschappers.

"Dit is een meerdelige complexe reactie, " zei Liu, maar ze merkte één essentiële factor op:"De interactie tussen het goud en het carbidesubstraat is erg belangrijk. Goud bindt dingen meestal heel zwak. Met deze synthesemethode krijgen we op een gecontroleerde manier een sterkere hechting van goud aan molybdeencarbide."

Die configuratie stabiliseert het belangrijkste tussenproduct dat zich vormt naarmate de reactie vordert, en de stabiliteit van dat tussenproduct bepaalt de snelheid van waterstofproductie, ze zei.

Het Brookhaven-team zal deze en andere carbidekatalysatoren met nieuwe mogelijkheden blijven bestuderen bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een nieuwe faciliteit die in 2014 werd geopend in Brookhaven Lab, NSLS vervangen en röntgenstralen produceren die 10 zijn, 000 keer helderder. Met deze helderdere röntgenfoto's, de wetenschappers hopen meer details van de chemie in actie vast te leggen, inclusief details van de tussenproducten die zich tijdens het reactieproces vormen om de theoretische voorspellingen die in deze studie zijn gedaan, te valideren.