Waterstofbrandstofcellen zijn veelbelovend als duurzame en milieuvriendelijke energiebronnen voor transport over land, door de lucht en over zee. Maar traditionele katalysatoren die worden gebruikt om chemische reacties in waterstofbrandstofcellen aan te drijven, zijn te duur en inefficiënt om een ​​grootschalige commerciële verschuiving van bestaande technologieën te rechtvaardigen.

In nieuw interdisciplinair onderzoek gepubliceerd in ACS Catalysis , hebben Noordoost-wetenschappers een nieuwe klasse van katalysatoren geïdentificeerd die, vanwege hun specifieke niet-edelmetalen aard, de op platina gebaseerde standaard zou kunnen vervangen die heeft verhinderd dat waterstof zich verder in de brandstofsector heeft ontwikkeld.

"We schakelen snel over op elektrische vervoerswijzen, en zoals ik het zie, zijn batterijen slechts een overgangsfase", zegt Sanjeev Mukerjee, een vooraanstaande professor in chemie en chemische biologie aan Northeastern, die co-auteur is van de studie. "Het is niet het ultieme antwoord op het vervangen van fossiele brandstoffen."

Het antwoord ligt in waterstof, of 'waterstofdragers' - grotere moleculen waarin waterstof slechts een deel is - dat het antwoord ligt, zegt hij. Waterstof, het meest voorkomende element in het universum, fungeert als energiedrager en kan worden gescheiden van water, fossiele brandstoffen of biomassa en als brandstof worden gebruikt. Waterstofbrandstofcellen zetten waterstof om in elektriciteit; en in tegenstelling tot de verbrandingsmotor, die giftige en kankerverwekkende chemische bijproducten produceert, produceren waterstofbrandstofcellen alleen water - echt drinkbaar water - als gevolg van de chemische reactie.

"Het grootste knelpunt op dit moment is één:infrastructuur voor de brandstof, d.w.z. waterstof of een waterstofdrager; en nummer twee zijn de hoge kosten van katalysatoren, omdat de huidige stand van de techniek edelmetalen vereist", zegt Mukerjee. . "Dus er zijn dubbele inspanningen om zowel de belasting van edelmetalen te verlagen als duurzamere katalysatoren te vinden met behulp van elementen die zeer overvloedig op aarde zijn."

Katalysatoren worden gebruikt in waterstofbrandstofcellen om het energieconversieproces te versnellen, de zogenaamde zuurstofreductiereactie. Een duurzame katalysator is een katalysator die is gemaakt van "aarde-overvloedige materialen" en een die, wanneer zuurstof in de chemische reactie wordt geïntroduceerd, geen koolstof produceert, zegt Arun Bansil, hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Northeastern en co-auteur van de studie.

Zoals het gaat, hebben Noordoost-onderzoekers gekeken naar een specifieke klasse van katalysatoren, namelijk de zogenaamde "stikstof-gecoördineerde ijzerkatalysatoren", als potentieel duurzame kandidaten. Een stikstof-gecoördineerde ijzerkatalysator wordt moleculair gedefinieerd als een ijzeratoom omgeven door vier stikstofatomen. De stikstofatomen worden "liganden" genoemd, of moleculen die aan een centraal metaalatoom binden om een ​​groter complex te vormen.

"Dit is een bekende structuur", zegt Bansil. "Wat we in dit artikel zeer overtuigend hebben aangetoond, is dat door een vijfde ligand toe te voegen - dat wil zeggen vier stikstoffen plus nog een - dat kan leiden tot een veel stabielere en robuustere elektrokatalysator, waardoor een nieuw paradigma of pad wordt geopend voor de rationele ontwerp van deze klasse van katalysatoren voor toepassingen voor brandstofcellen."

Bansil zegt dat het vijfde ligand ook de duurzaamheid van de katalysator verbetert. De reden, zegt hij, is "het lijkt erop dat dit vijfde ligand erin slaagt het ijzer in het vlak van het ijzer-stikstof te houden wanneer zuurstof aan deze structuur wordt toegevoegd."

If the fifth ligand is not there, Bansil says, the iron is dislodged from the plane of the iron-nitrogen in many of these complexes when the oxygen is put in, thereby making the catalyst "less durable."

Researchers used X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy, techniques used in computational chemistry, to observe these effects.

"It's not enough to just know that something seems to be working better—it's important to know why it is working better," he says. "Because then we are in a position to develop improved materials through a rational design process."

Northeastern staff scientist Qingying Jia and Bernardo Barbiellini, a computational and theoretical physicist at the Lappeenranta University of Technology, who is currently visiting Northeastern, participated in the research.

The advancement represents several "firsts" in the field, Mukerjee says.

"The computational approach has helped us identify the catalytic sites as they evolve during preparation, and it also helped provide a picture of which of these [catalysts] are more stable," he says. + Verder verkennen

New iron catalyst could make hydrogen fuel cells affordable