Lehigh-onderzoekers hebben samengewerkt met collega's in China en in drie nationale laboratoria in de Verenigde Staten om een ​​op goud gebaseerde katalysator te ontwikkelen die volgens hen de prestaties en efficiëntie van brandstofcellen die op waterstof werken zou kunnen verbeteren.

Inschrijven Wetenschap tijdschrift, de groep zei dat zijn katalysator - bestaande uit vlotachtige gouden nanodeeltjes op een speciaal type molybdeen-carbide (α-MoC) -substraat - een hoge activiteit had bereikt bij lage temperaturen terwijl de zuivere waterstofstromen werden geproduceerd die nodig zijn om brandstofcellen van stroom te voorzien.

De onderzoekers zeiden dat ze hun resultaten bereikten door gebruik te maken van de water-gasshift (WGS) -reactie, die koolmonoxide (CO) en water omzet in waterstof (H2) en kooldioxide (CO2). De groep was in staat om de waterstof te zuiveren door alle beschikbare CO op te gebruiken, die de neiging heeft om brandstofcelkatalysatoren te deactiveren. De WGS-reactie, die typisch wordt gebruikt om waterstof te maken voor de productie van chemicaliën zoals ammoniak, is ook een cruciaal onderdeel van de inspanningen om over te stappen van op koolwaterstof gebaseerde brandstoffen op waterstof.

"Onze reactie produceert een stroom zeer zuivere waterstof die niet verontreinigd is met CO, die, indien aanwezig, de katalysatoren in de brandstofcel zouden vergiftigen, " zei Christopher J. Kiely, de Harold B. Chambers Senior Professor of Materials Science and Engineering aan Lehigh. "We zijn erg enthousiast over deze ontwikkeling, want het brengt ons een stap dichter bij het hebben van auto's die op waterstofbrandstofcellen rijden."

Kiely zei dat het gebruik van het α-MoC-substraat - een innovatie van Ding Ma en zijn collega's van de Universiteit van Peking in China - de groep in staat stelde de eerder gemelde tekortkomingen te verhelpen door de WGS-reactie te katalyseren.

"Het is al lang bekend dat goud op verschillende oxidesubstraten de WGS-reactie zou kunnen veroorzaken. Het knelpunt tot nu toe was dat de katalytische activiteit over het algemeen te laag was en dat de katalysator altijd niet stabiel genoeg was voor langdurig gebruik."

De groep rapporteerde zijn resultaten op 28 juli in een paper met de titel "Atomic-layered Au clusters on alpha-molybdeen carbide (α-MoC) as katalysators for the low temperature water-gas shift reaction."

Naast Kiely, de auteurs van het artikel zijn onder meer Li Lu, een Lehigh Ph.D. kandidaat, en Wu Zhou, die zijn Ph.D. in Lehigh in 2010 en is nu een professor aan de Universiteit van de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking.

De andere auteurs zijn verbonden aan Peking University, Dalian Universiteit van Technologie, Synfuels China en Taiyuan University of Technology, allemaal in China, en Oak Ridge, Brookhaven en Lawrence Berkeley National Laboratories in de VS De leidende wetenschapper in het werk is Ding Ma, een professor aan het College of Chemistry and Molecular Engineering en het College of Engineering aan de Peking University in Peking.

Om een ​​hoge katalytische activiteit te bereiken bij lage temperatuur (d.w.z. onder de 150 graden C. die nodig is om een ​​brandstofcel efficiënt te laten werken), de groep verspreidde het goud op een carbide (α-MoC) in plaats van het ijzeroxide, ceriumoxide of andere reduceerbare oxidesubstraten die eerder zijn geprobeerd voor de WGS-reactie. De nieuwe katalysatorformulering bleek stabieler dan conventionele katalysatoren, terwijl het bereiken van veel grotere activiteit, een maatstaf voor de efficiëntie van een katalysator.

"De schoonheid van de α-MoC-ondersteuning, " zei Kiely, "is dat het het water kan activeren zodat het actieve oppervlaktehydroxyl (OH) soorten creëert, die vervolgens kan reageren met de CO om waterstof en CO2 te geven. De carbidedrager speelt daarom een ​​zeer sterke en cruciale rol in deze reactie.

"Dit systeem werkt heel goed bij de temperaturen en drukken die nodig zijn voor brandstofceltoepassingen en de activiteit is een orde van grootte beter dan die van eerder beproefde op goud gebaseerde katalysatoren."

In onderzoeken gedaan met Lehigh's aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM), de groep toonde aan dat het goud in twee verschillende vormen op de α-MoC-drager bestaat.

"De microscopie heeft aangetoond dat het goud bestaat als vlotten op nanoschaal van slechts enkele atomen dik en ook als individuele goudatomen verspreid over de drager, " zei Kiely, die de Electron Microscopy and Nanofabrication Facility van Lehigh leidt.

"We hebben de katalytische activiteit gemeten met beide soorten aanwezig op de α-MoC-drager. Vervolgens hebben we de deeltjes selectief verwijderd, alleen de atomen achterlatend. Toen we dit deden, de activiteit daalde tot minder dan een tiende van het oorspronkelijke niveau. Dat liet ons zien dat de meeste activiteit afkomstig is van deze vlotachtige deeltjes."

Het artikel is het negende dat Kiely tot nu toe in Science heeft gepubliceerd; hij heeft er ook vier gepubliceerd in Nature. De twee publicaties worden beschouwd als 's werelds toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften.

Eerder deze maand, Kiely ontving een van de hoogste onderscheidingen in zijn vakgebied toen hij werd ingewijd als Fellow van de Microscopy Society of America.

De MSA Fellow-aanduiding erkent jaarlijks vooraanstaande vooraanstaande leden van de samenleving wiens prestaties en service een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan de vooruitgang op het gebied van microscopie en microanalyse.

Kiely werd geciteerd voor "onderscheiden bijdragen aan de karakterisering van nanoschaalkenmerken in deeltjesmaterialen en interfaces, met name op het gebied van katalysatormaterialen, nanodeeltjes zelfassemblage fenomenen, koolstofhoudende materialen, en halfgeleider hetero-interfaces."