Brandstofcellen en waterelektrolysers die goedkoop en efficiënt zijn, zullen de hoeksteen vormen van een economie op basis van waterstofbrandstof, wat een van de meest veelbelovende schone en duurzame alternatieven is voor fossiele brandstoffen. Deze apparaten zijn afhankelijk van materialen die elektrokatalysatoren worden genoemd om te werken, daarom is de ontwikkeling van efficiënte en goedkope katalysatoren essentieel om van waterstofbrandstof een levensvatbaar alternatief te maken. Onderzoekers van de universiteit van Aalto hebben een nieuw katalysatormateriaal ontwikkeld om deze technologieën te verbeteren.

De zuurstofreductiereactie (ORR) en zuurstofevolutiereactie (OER) zijn de belangrijkste elektrochemische reacties die de efficiëntie van waterstofbrandstofcellen beperken (voor het aandrijven van voertuigen en energieopwekking), waterelektrolysers (voor schone waterstofproductie), en metaal-luchtbatterijen met hoge capaciteit. Natuurkundigen en scheikundigen bij Aalto werken samen met onderzoekers van CNRS Frankrijk, en Wenen in Oostenrijk hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die deze reacties efficiënter aanstuurt dan andere bifunctionele katalysatoren die momenteel beschikbaar zijn. De onderzoekers ontdekten ook dat de elektrokatalytische activiteit van hun nieuwe katalysator aanzienlijk kan worden gewijzigd, afhankelijk van de keuze van het materiaal waarop de katalysator is afgezet.

"We willen traditionele dure en schaarse katalysatoren op basis van edele metalen zoals platina en iridium vervangen door zeer actieve en stabiele alternatieven die zijn samengesteld uit goedkope en aardrijke elementen zoals overgangsmetalen, koolstof en stikstof", zegt Dr. Mohammad Tavakkoli, de onderzoeker bij Aalto die het werk leidde en de paper schreef.

In samenwerking met CNRS produceerde het team een ​​zeer poreuze grafeen-koolstof nanobuishybride en doopte deze met enkele atomen van andere elementen waarvan bekend is dat ze goede katalysatoren vormen. Grafeen en koolstofnanobuisjes (CNT) zijn de één-atoom-dikke twee- en ééndimensionale allotropen van koolstof, respectievelijk, die enorme belangstelling hebben gewekt in zowel de academische wereld als de industrie vanwege hun uitstekende eigenschappen in vergelijking met meer traditionele materialen. Ze ontwikkelden een eenvoudige en schaalbare methode om deze nanomaterialen tegelijkertijd te laten groeien, het combineren van hun eigenschappen in een enkel product. "We zijn een van de toonaangevende teams ter wereld voor de schaalbare synthese van dubbelwandige koolstofnanobuisjes. De innovatie hier was om ons fabricageproces aan te passen om deze unieke monsters te bereiden, " zei Dr. Emmanuel Flahut, onderzoeksdirecteur bij CNRS.

In dit eenstapsproces ze zouden het grafeen ook kunnen dopen met stikstof en/of metallische (kobalt en molybdeen) enkelvoudige atomen als een veelbelovende strategie om enkelvoudige atoomkatalysatoren (SAC's) te produceren. In de katalysewetenschap het nieuwe veld van SAC's met geïsoleerde metaalatomen gedispergeerd op vaste dragers heeft brede onderzoeksaandacht getrokken vanwege de maximale efficiëntie van atoomgebruik en de unieke eigenschappen van SAC's. Vergeleken met concurrerende strategieën voor het maken van SAC's, de methode die door het Aalto &CNRS-team wordt gebruikt, biedt een eenvoudige methode die in één stap plaatsvindt, kosten laag houden.

Katalysatorsubstraat kan de prestaties verbeteren

Katalysatoren worden meestal afgezet op een onderliggend substraat. De rol die dit substraat speelt op de uiteindelijke reactiviteit van de katalysator wordt meestal verwaarloosd door onderzoekers, voor deze nieuwe katalysator, de onderzoekers zagen dat het substraat een belangrijke rol speelde in de efficiëntie ervan. Het team ontdekte dat de poreuze structuur van hun materiaal toegang geeft tot meer actieve katalysatorplaatsen die zijn gevormd op het grensvlak met het substraat, daarom ontwikkelden ze een nieuwe elektrochemische microscopie-analysemethode om te meten hoe deze interface zou kunnen bijdragen aan het katalyseren van de reactie en het produceren van de meest effectieve katalysator. Ze hopen dat hun studie van substraateffecten op de katalytische activiteit van poreuze materialen een basis vormt voor het rationele ontwerp van hoogwaardige elektroden voor de elektrochemische energie-apparaten en richtlijnen biedt voor toekomstige studies.