De hoge kosten van platinakatalysatoren die in waterstofbrandstofcellen worden gebruikt, beperken de commercialisering van elektrische voertuigen met brandstofcellen. Wetenschappers bestuderen alternatieve katalysatoren om de kosteneffectiviteit te verhogen en de efficiëntie van waterstofbrandstofcellen te behouden.

Onderzoekers kijken steeds vaker naar waterstof-brandstofcelsystemen als alternatieve energiebronnen voor voertuigen en andere toepassingen vanwege hun snelle tanktijd, hoge energiedichtheid en gebrek aan schadelijke emissies of bijproducten.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben onlangs brandstofcelkatalysatoren ontwikkeld en bestudeerd - chemicaliën die belangrijke brandstofcelreacties versnellen - die geen platina gebruiken. Het onderzoek geeft een beter inzicht in de mechanismen die deze katalysatoren effectief maken, en de nieuwe inzichten kunnen helpen bij de productie van nog efficiëntere en kosteneffectievere katalysatoren.

In de handel verkrijgbare waterstofbrandstofcellen zijn afhankelijk van de zuurstofreductiereactie (ORR), die zuurstofmoleculen splitst in zuurstofionen en ze combineert met protonen om water te vormen. De reactie maakt deel uit van het totale brandstofcelproces dat waterstof en zuurstof in lucht omzet in water en elektriciteit. De ORR is een relatief langzame reactie, waardoor de efficiëntie van de brandstofcel wordt beperkt en er een grote hoeveelheid platinakatalysator nodig is.

"Momenteel, de zuurstofreductiereactie wordt vergemakkelijkt door platinalegeringskatalysatoren, welke het duurste onderdeel zijn van de brandstofcelelektroden, " zei Deborah Myers, een senior chemicus en de leider van de Hydrogen and Fuel Cell Materials-groep in de divisie Chemical Sciences and Engineering (CSE) van Argonne. "Wijd verspreid, de duurzame commercialisering van elektrische voertuigen met brandstofcellen vereist ofwel een drastische vermindering van de benodigde hoeveelheid platina of de vervanging van platinakatalysatoren door die van aardrijkdom, goedkope materialen zoals ijzer."

De meest veelbelovende platinavrije katalysator voor gebruik in de ORR is gebaseerd op ijzer, stikstof en koolstof. Om de katalysator te produceren, wetenschappers mengen voorlopers die de drie elementen bevatten en verhitten ze tussen 900 en 1100 graden Celsius in een proces dat pyrolyse wordt genoemd.

Na pyrolyse, de ijzeratomen in het materiaal zijn gebonden met vier stikstofatomen en ingebed in een vlak van grafeen, een één-atoom dikke laag koolstof. Elk van de ijzeratomen vormt een actieve plaats, of een plaats waar de ORR kan optreden. Een grotere dichtheid van actieve plaatsen in het materiaal maakt de elektrode efficiënter.

"De mechanismen waarmee de actieve sites worden gevormd tijdens pyrolyse zijn nog steeds erg mysterieus, " zei Myers. "We observeerden het proces in realtime op atomaire schaal om inzicht te krijgen en om het ontwerp van beter presterende katalysatoren te informeren."

Myers en medewerkers voerden in situ röntgenabsorptiespectroscopie uit bij het Materials Research Collaborative Access Team (MR-CAT) bij Argonne's Advanced Photon Source (APS), een Amerikaanse DOE Office of Science User Facility, om het gedrag van het materiaal op atomaire schaal tijdens pyrolyse bloot te leggen. Ze richtten een röntgenstraal door het strijkijzer, stikstof- en koolstofprecursoren en observeerden welke elementen chemisch met elkaar verbonden waren en hoe.

De wetenschappers ontdekten dat tijdens de pyrolyse van het ijzer, mengsel van stikstof en koolstofvoorlopers, eerst worden de stikstof-grafeenplaatsen gevormd, en vervolgens voegen gasvormige ijzeratomen zich in deze plaatsen. Ze ontdekten ook dat ze een hogere dichtheid van actieve plaatsen in de katalysator kunnen produceren door eerst stikstof in de koolstof te brengen, met behulp van een techniek genaamd doping, en vervolgens ijzer in het systeem te introduceren tijdens pyrolyse, in plaats van alle drie de componenten samen te verwarmen.

Tijdens dit proces, de wetenschappers plaatsen de met stikstof gedoteerde koolstof in de oven, en gasvormige ijzeratomen plaatsen zichzelf in lege plekken in het midden van groepen van vier stikstofatomen, actieve sites vormen. Deze benadering vermijdt clustering en begraving van ijzeratomen in het grootste deel van de koolstof, toename van het aantal actieve plaatsen op het grafeenoppervlak.

De studie maakte deel uit van een groter project gefinancierd door het DOE Fuel Cell Technologies Office, genaamd het Electrocatalysis Consortium (ElectroCat), specifiek gericht op het stimuleren van de ontwikkeling van platinavrije katalysatoren voor brandstofcellen.

ElectroCat wordt geleid door Argonne en DOE's Los Alamos National Laboratory en heeft leden waaronder DOE's National Renewable Energy Laboratory en Oak Ridge National Laboratory. Deze studie kwam voort uit een samenwerking tussen ElectroCat en Northeastern University.

"Onze missie als een van de belangrijkste nationale laboratoriumleden van ElectroCat is om niet alleen onze eigen katalysatoren in het consortium te ontwikkelen, maar ook om samenwerkingen met universiteiten en de industrie te ondersteunen, ' zei Myers.

De conclusies van deze studie helpen de kenniskloof tussen inputprecursoren en de resulterende structuur van de katalysator na pyrolyse te dichten. De cruciale ontdekking geeft wetenschappers een mogelijkheid om de dichtheid van actieve plaatsen in het materiaal te vergroten, en de groep zal doorgaan met het ontwikkelen van actievere en stabielere platinavrije katalysatoren voor gebruik in waterstofbrandstofcellen.

Een paper met de resultaten van het onderzoek, getiteld "Evolutieroute van ijzerverbindingen naar Fe1 (II) N4-locaties door ijzer in de gasfase tijdens pyrolyse, " werd gepubliceerd op 27 december, 2019, in de Tijdschrift van de American Chemical Society .