Een multi-institutioneel onderzoeksteam onder leiding van materiaalwetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) heeft een zeer actieve en duurzame katalysator ontworpen die niet afhankelijk is van kostbaar platina om de noodzakelijke chemische reactie op gang te brengen.

De nieuwe katalysator bevat kobalt afgewisseld met stikstof en koolstof. In vergelijking met een soortgelijke gestructureerde katalysator gemaakt van ijzer - een andere veelbelovende, goed bestudeerde platinavervanger, het team ontdekte dat de kobaltkatalysator een vergelijkbare reactie bereikte, maar met vier keer de duurzaamheid.

Het onderzoek van het team, wat veelbelovend is voor brandstofcellen in transport, verscheen op 30 november 2020 uitgave van Natuur Katalyse .

Op zoek naar een vervanger voor kostbaar platina

Protonenuitwisselingsmembraan- of PEM-brandstofcellen worden doorgaans gecombineerd met waterstof voor meerdere toepassingen in verschillende sectoren, inclusief vervoer, stationaire en back-up stroom, productie van metalen, en meer. Deze zeer efficiënte, apparaten voor het omzetten van schone energie vereisen zeer actieve katalysatoren voor de chemische reactie - de zuurstofreductiereactie, of het "levensbloed" dat een brandstofcel efficiënt laat functioneren.

Metalen uit de platinagroep dienen als het meest productieve katalysatormateriaal voor PEM-brandstofcellen, maar ze zijn goed voor ongeveer de helft van de brandstofcelkosten.

Dus bestuderen wetenschappers overgangsmetalen zoals ijzer als een veelbelovend alternatief voor platina, maar ze hebben ontdekt dat ze snel degraderen in de zure PEM-brandstofcelomgeving.

Voer kobalt in, een overgangsmetaal dat - in verhouding tot platina - goedkoop en overvloedig is. Eerdere studies hadden aangetoond dat kobalt veel minder actief is dan op ijzer gebaseerde katalysatoren.

"We wisten dat de configuratie van kobalt met stikstof en koolstof de sleutel was tot hoe effectief de katalysator reageert en dat de dichtheid van de actieve plaats van cruciaal belang was voor de prestaties, " zei PNNL-materiaalwetenschapper Yuyan Shao, die de studie leidde. "Ons doel was om de reactieactiviteit van op kobalt gebaseerde katalysatoren echt te verbeteren."

Schermen in de atomen

Het team immobiliseerde op kobalt gebaseerde moleculen in de microporiën van zeolietimidazolaatstructuren, die dienden als beschermende hekken om de mobiliteit van de kobaltatomen te verminderen en te voorkomen dat ze samenklonteren. Vervolgens gebruikten ze pyrolyse bij hoge temperatuur om de atomen om te zetten in katalytisch actieve plaatsen binnen het raamwerk.

Binnen deze structuur is ze ontdekten dat de dichtheid van de actieve sites aanzienlijk toenam, op zijn beurt de reactie-activiteit verhogen. Dit, in feite, bereikte de hoogste activiteit in brandstofcellen gerapporteerd voor niet-ijzer, platinagroep metaalvrije katalysatoren tot nu toe.

Het team ontdekte ook dat de op kobalt gebaseerde katalysator veel duurzamer is dan de op ijzer gebaseerde katalysator die met dezelfde benadering is gesynthetiseerd. Ze kwamen erachter, Voor de eerste keer, significante verschillen in demetallatie, waarbij metaalionen uit de katalysator worden uitgeloogd en die katalysator dan activiteit verliest. Ze ontdekten ook dat zuurstofradicalen uit waterstofperoxide, een bijproduct van zuurstofreductie in brandstofcellen, de katalysatoren aantasten en prestatieverlies veroorzaken.

Hoge activiteit, grotere duurzaamheid

"Uiteindelijk, we waren niet alleen in staat om de activiteit van de op kobalt gebaseerde katalysator te verbeteren, maar we hebben de duurzaamheid aanzienlijk verbeterd, " zei Shao. "Ons verdere onderzoek heeft ons ertoe gebracht de mechanismen te ontdekken die dit soort katalysatoren typisch afbreken."