Protonenuitwisselingsmembraan (PEM) brandstofcellen zijn een technologie voor energieopslag die de ecologische voetafdruk van transport zal helpen verkleinen. Deze brandstofcellen maken gebruik van een chemische reactie die zuurstofreductie wordt genoemd. Deze reactie heeft een goedkope katalysator nodig voor wijdverbreide commerciële toepassingen. Met stikstof gedoteerde koolstof is zo'n katalysator, maar de chemische details van hoe stikstofdoping werkt, zijn nogal controversieel. Dergelijke kennis is belangrijk om de functie van PEM-brandstofcellen in toekomstige technologieën te verbeteren.

In een recent gepubliceerd onderzoek in Angewandte Chemie Internationale editie, onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba rapporteerden chemische details voor het optimaliseren van de zuurstofreductiereactie in PEM-brandstofcellen in zure omstandigheden. Deze configuratie helpt de koolstofkatalysator zuurstof te adsorberen op een manier die de brandstofcel in staat stelt te functioneren.

Stikstof kan verschillende bindingsconfiguraties aannemen, zoals pyridine, in met stikstof gedoteerde koolstofkatalysatoren. Voor jaren, onderzoekers hebben geprobeerd te bepalen welke bindingsconfiguraties de bron zijn van elektrolytische activiteit in PEM-brandstofcellen. De resultaten van dergelijke onderzoeken kunnen onduidelijk zijn, tenzij de reactiemechanismen worden opgehelderd met gecontroleerde binding en kristallografische oriëntatie van het stikstofatoom op de katalysatoren.

"We hebben zeven stikstofmoleculen afgezet op een parakristallijne roetkatalysator om modelkatalysatoren te maken met homogene structuren, " zegt hoofdauteur professor Kotaro Takeyasu. "We ontdekten dat 1, 10-fenantroline, met twee pyridine-stikstofatomen aan de fauteuilranden van de katalysator, had de hoogste activiteit met betrekking tot de stroomdichtheid."

Zwavelzuur verzuurde de stikstofatomen in de katalysator volledig. Bij het aanleggen van een geschikte spanning onder met zuurstof verzadigde omstandigheden, de geprotoneerde stikstofatomen in de katalysator werden gereduceerd. Dit was toe te schrijven aan de gelijktijdige zuurstofadsorptie, omdat er geen vermindering was in met stikstof verzadigde omstandigheden.

"Berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie geven ook aan dat zuurstofadsorptie de reductie van volledig geprotoneerde stikstofatomen bevordert, " legt senior auteur uit, Professor Junji Nakamura. "Dus, zuurstof absorbeert op de katalysator en tegelijkertijd, de stikstofatomen worden gereduceerd voor extra katalytische cycli."

De huidige PEM-brandstofcellen gebruiken platinakatalysatoren. Omdat platina een zeldzaam metaal is, is het op de lange termijn geen realistische optie voor commerciële toepassingen. Dus, platinakatalysatoren zullen PEM-brandstofcellen niet in staat stellen bij te dragen aan een koolstofarme economie. De hier beschreven bevindingen zullen onderzoekers helpen de prestaties van op koolstof gebaseerde katalysatoren voor PEM-brandstofcellen te verbeteren en de duurzaamheid van transport te verbeteren.