Om de kosten van polymeerelektrolytbrandstofcellen van de volgende generatie voor voertuigen te verlagen, onderzoekers hebben alternatieven ontwikkeld voor de onbetaalbaar dure platina- en platinagroepmetaal (PGM) katalysatoren die momenteel worden gebruikt in brandstofcelelektroden. Nieuw werk bij de nationale laboratoria Los Alamos en Oak Ridge lost moeilijke vragen over brandstofcelprestaties op, zowel bij het bepalen van efficiënte nieuwe materialen als bij het begrijpen hoe ze werken op atomair niveau. Het onderzoek wordt deze week beschreven in het tijdschrift Wetenschap .

"Wat deze verkenning vooral belangrijk maakt, is dat het ons begrip verbetert van precies waarom deze alternatieve katalysatoren actief zijn, " zei Pjotr ​​Zelenay, leider van het project bij Los Alamos National Laboratory. "We zijn op het veld vooruitgegaan, maar zonder de bronnen van activiteit te begrijpen; zonder de structurele en functionele inzichten, verdere vooruitgang zou erg moeilijk worden."

Voortbouwend op eerdere studies, het door Los Alamos geleide team heeft katalysatoren gesynthetiseerd met goedkope platina-alternatieven die prestaties leveren die vergelijkbaar zijn met de standaard PGM-brandstofcelkatalysator die wordt gebruikt in voertuigtoepassingen. Met behulp van geavanceerde microscopie in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL), onderzoekers waren in staat om de actieve plaatsen met één atoom in het nieuwe materiaal waar katalyse plaatsvindt direct te observeren, die unieke inzichten opleverde in het efficiëntiepotentieel van het PGM-vrije materiaal.

Platina helpt bij zowel de elektrokatalytische oxidatie van waterstofbrandstof aan de anode als de elektrokatalytische reductie van zuurstof uit lucht aan de kathode, bruikbare elektriciteit produceren. Het vinden van een levensvatbare, goedkoop PGM-vrij katalysatoralternatief wordt steeds meer mogelijk, maar het is al lang een uitdaging om precies te begrijpen waar en hoe katalyse plaatsvindt in deze nieuwe materialen. Dit is waar, Zelenay merkte op, vooral in de brandstofcelkathode, waarbij een relatief langzame zuurstofreductiereactie, of ORR, plaatsvindt waarvoor een aanzienlijke 'lading' van platina nodig is.

Het nieuwe materiaal dat in deze studie is onderzocht, is een elektrokatalysator van ijzer-stikstof-koolstof (Fe-N-C), gesynthetiseerd met twee stikstofprecursoren die een hiërarchische poriestructuur ontwikkelden om een ​​groot deel van de koolstofoppervlakken bloot te stellen aan zuurstof. Zijn brandstofcelprestaties benaderen die van platinakatalysatoren, een belangrijke vooruitgang, zoals gedocumenteerd in de prestaties van de brandstofceltestbank.

Door het gebruik van ORNL's aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop en elektronenenergieverliesspectroscopie, ORNL-onderzoekers waren in staat om de eerste directe observatie van de vaak voorgestelde ORR-actieve site te geven, FeN4, op atomair niveau.

"Met zowel deze prestatie als de atomaire visualisatie van de reactieplaatsen, we dichten de kloof om platina te vervangen door een hoogwaardige katalysator die klaar is om te worden opgeschaald voor mogelijke toepassing in brandstofcellen voor automobieltoepassingen, " zei Karren Meer, ORNL microscopie teamleider.

In aanvulling, de hoge activiteit van Fe-N-C-katalysatoren en de FeN4-actieve sitestructuur werd voorspeld door computermodellering uitgevoerd in Los Alamos, net als de mogelijke reactieroute.

"In dit artikel verbinden we de modellering en de microscopieresultaten met de elektrochemisch bepaalde hoge activiteit van een PGM-vrije zuurstofreductiereactiekatalysator, ' zei Zelenay.

Los Alamos-onderzoek naar brandstofcellen breidt de mogelijkheden voor energieproductie uit ter ondersteuning van de missie van het laboratorium om de energiezekerheid van het land te versterken.