Zuurstof bedreigt duurzame katalysatoren die waterstof gebruiken om elektriciteit te produceren in brandstofcellen. Onderzoekers uit Bochum en Marseille hebben een manier ontwikkeld om dit tegen te gaan.

Efficiënte katalysatoren voor het omzetten van waterstof in elektriciteit in brandstofcellen voor de energietransitie zijn vaak gebaseerd op dure, zeldzame metalen zoals platina. Het gebruik van goedkopere metalen en biologische componenten die net zo efficiënt werken, heeft tot nu toe de levensduur van katalysatoren verkort omdat ze gevoelig zijn voor zuurstof. Een onderzoeksteam uit Bochum en Marseille is erin geslaagd om zo'n katalysator te integreren in een extreem dunne beschermende film van moleculaire bouwstenen die hem afschermt van zuurstof en zo zijn levensduur praktisch oneindig maakt terwijl hij zijn vermogen om efficiënt te werken behoudt. Het team rapporteert in de Tijdschrift van de American Chemical Society op 16 september 2019.

De onderzoekers onder leiding van professor Nicolas Plumeré van het Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence van de Ruhr-Universität Bochum (RUB) werkten aan deze studie samen met Dr. Vincent Fourmond en Dr. Christophe Léger van het Centre national de la recherche scientifique Marseille .

Dikke lagen zijn in de praktijk niet goed

De teams zijn al een tijdje bezig om efficiënte biokatalysatoren met zuurstofgevoelige hydrogenasen langer mee te laten gaan. "Ongeveer vijf jaar geleden hebben we een zelfverdedigingsmechanisme ontwikkeld op basis van een geleidende polymeerfilm. " legt Nicolas Plumeré uit. De elektronen die tijdens de oxidatie van waterstof worden geproduceerd, worden door de film getransporteerd en reageren met zuurstof, die zo wordt verwijderd voordat het de binnenkant van de katalysator kan bereiken, waar zuurstofgevoelige enzymen zich bevinden. "Echter, het was niet mogelijk om de katalysatoren in de praktijk te gebruiken, ", zegt de onderzoeker. "Op meer dan 100 micrometer, de polymeerfilms waren zo dik dat ze de efficiëntie belemmerden."

In het huidige werk de onderzoekers laten zien dat, zelfs in een veel dunnere polymeerfilm, de hydrogenasen zijn veilig voor zuurstof. "Verrassend genoeg, deze films, die slechts enkele micrometers dik zijn, zijn nog robuuster dan de dikkere, ", zegt Nicolas Plumeré. 50 procent van de katalysator draagt ​​nu bij aan katalyse - dat was slechts 0,3 procent voor dikkere beschermende films.

Gedefinieerde beschermende laag gemaakt van kleine moleculaire bolletjes

De bouwstenen waaruit de beschermfolie bestaat, vormen de kern van de nieuwe ontwikkeling. Voor deze, gebruiken de onderzoekers minuscule bolletjes met een diameter van slechts vijf nanometer, die allemaal een identieke structuur hebben, bekend als dendrimeren. Hierdoor konden ze de dikte van de resulterende laag nauwkeurig regelen.

De dendrimeren kunnen elektronen efficiënter transporteren dan de eerder gebruikte polymeren. "Deze verhoogde geleidbaarheid betekent dat de elektronen sneller door de film bewegen en zuurstof op grotere afstand van de katalysator kunnen stoppen, ", legt Plumeré uit.

22, 000 jaar efficiënte katalyse

De onderzoekers waren verrast om te zien dat de dikte van de beschermende film een ​​significant effect heeft op de levensduur van de katalysator:in een film van drie micrometer dik, een katalysator overleeft slechts ongeveer tien minuten in aanwezigheid van zuurstof. Als de film zes micrometer dik is, de levensduur kan onder dezelfde voorwaarden worden verlengd tot maximaal een jaar. "Een extra dikte van twee micrometer verlengt theoretisch de levensduur van de katalysator tot 22, 000 jaar, " zeggen de onderzoekers, versteld staan.

Buurthulp verlengt het leven

Het team was even verrast dat de beschermende film niet alleen schadelijke zuurstofmoleculen weghoudt, maar is zelfs in staat om een ​​niet meer functionele katalysator te reactiveren door deze te voorzien van elektronen van een naburige actieve katalysator. "Met andere woorden:katalysatoren in deze beschermende film beschermen niet alleen zichzelf, maar ook elkaar " vat Plumeré samen. Deze eigenschap maakt het ook mogelijk dat katalysatoren een oneindige levensduur hebben in beschermende lagen van slechts drie micrometer dik.

"Deze extreme levensduur brengt ons weer een stap dichter bij het gebruik van dergelijke zuurstofgevoelige biokatalysatoren in brandstofcellen, ', zegt het onderzoeksteam.