Onderzoekers van de Washington State University hebben een nieuwe manier ontwikkeld om goedkope, katalysatoren met één atoom voor brandstofcellen - een vooruitgang die belangrijke schone-energietechnologie economisch levensvatbaarder zou kunnen maken.

Hun werk is gepubliceerd in de Geavanceerde energiematerialen logboek.

Brandstofcellen op waterstof zijn van cruciaal belang voor de economie van schone energie, aangezien ze meer dan twee keer zo efficiënt zijn in het opwekken van elektriciteit dan vervuilende verbrandingsmotoren. Hun enige afvalproduct is water.

Echter, de hoge prijs van de op platina gebaseerde katalysatoren die worden gebruikt voor de chemische reactie in brandstofcellen belemmert hun commercialisering aanzienlijk.

In plaats van het zeldzame platina, onderzoekers willen niet-edelmetalen gebruiken, zoals ijzer of kobalt. Maar reacties met deze overvloedig beschikbare metalen hebben de neiging om na korte tijd te stoppen met werken.

"Goedkope katalysatoren met een hoge activiteit en stabiliteit zijn van cruciaal belang voor de commercialisering van de brandstofcellen." zei Qiurong Shi, postdoctoraal onderzoeker in de School of Mechanical and Materials Engineering (MME) en een co-eerste auteur op het papier.

Onlangs, onderzoekers hebben katalysatoren met één atoom ontwikkeld die net zo goed werken in de laboratoriumomgeving als met behulp van edele metalen. De onderzoekers hebben de stabiliteit en activiteit van de niet-edelmetalen kunnen verbeteren door er op nanoschaal mee te werken als katalysatoren met één atoom.

In dit nieuwe werk het WSU-onderzoeksteam, onder leiding van Yuehe Lin, een MME-professor, gebruikte ijzer- of kobaltzouten en het kleine molecuul glucosamine als voorlopers in een eenvoudig proces bij hoge temperatuur om de katalysatoren met één atoom te maken. Het proces kan de kosten van de katalysatoren aanzienlijk verlagen en kan gemakkelijk worden opgeschaald voor productie.

De ijzer-koolstofkatalysatoren die ze ontwikkelden waren stabieler dan commerciële platinakatalysatoren. Ze behielden ook een goede activiteit en raakten niet besmet, wat vaak een probleem is met gewone metalen.

"Dit proces heeft veel voordelen, " zei Chengzhou Zhu, een eerste auteur op het papier die het proces bij hoge temperatuur ontwikkelde. "Het maakt grootschalige productie mogelijk, en het stelt ons in staat om het aantal te verhogen en de reactiviteit van actieve plaatsen op de katalysator te verhogen."

Lin's groep werkte aan het project samen met Scott Beckman, een MME universitair hoofddocent aan de WSU, evenals met onderzoekers van Advanced Photon Source bij Argonne National Laboratory en Brookhaven National Laboratory voor materiaalkarakterisering.

"De gebruikersfaciliteit voor geavanceerde materiaalkarakterisering in de nationale laboratoria onthulde de locaties met één atoom en actieve delen van de katalysatoren, wat leidde tot een beter ontwerp van de katalysatoren, " zei Lin.