Waterstofbrandstofcellen zetten waterstof om in elektriciteit met waterdamp als enige bijproduct, waardoor ze een aantrekkelijk groen alternatief zijn voor draagbare stroom, met name voor voertuigen.

Het wijdverbreide gebruik ervan werd echter gedeeltelijk belemmerd door de kosten van een van de primaire componenten. Om de reactie die de elektriciteit produceert te vergemakkelijken, vertrouwen de brandstofcellen op een katalysator van platina, wat duur en schaars is.

Nu heeft een Europees team onder leiding van onderzoekers van het Imperial College London een katalysator gemaakt met alleen ijzer, koolstof en stikstof - materialen die goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar zijn - en hebben ze aangetoond dat deze kan worden gebruikt om een ​​brandstofcel op hoog vermogen te laten werken. Hun resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Nature Catalysis .

Hoofdonderzoeker professor Anthony Kucernak, van de afdeling Scheikunde van Imperial, zei:"Momenteel is ongeveer 60% van de kosten van een enkele brandstofcel het platina voor de katalysator. Om brandstofcellen een echt levensvatbaar alternatief voor fossiele brandstoffen te maken, gemotoriseerde voertuigen, bijvoorbeeld, we moeten die kosten omlaag brengen.

"Ons goedkopere katalysatorontwerp moet dit mogelijk maken en de inzet mogelijk maken van aanzienlijk meer hernieuwbare energiesystemen die waterstof als brandstof gebruiken, waardoor uiteindelijk de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd en de wereld op weg wordt gezet naar een netto-nuluitstoot."

De innovatie van het team was om een ​​katalysator te produceren waarbij al het ijzer als enkele atomen in een elektrisch geleidende koolstofmatrix was gedispergeerd. IJzer met één atoom heeft andere chemische eigenschappen dan ijzer in bulk, waarbij alle atomen bij elkaar zijn geclusterd, waardoor het reactiever wordt.

Door deze eigenschappen stimuleert het ijzer de reacties die nodig zijn in de brandstofcel en fungeert het als een goede vervanging voor platina. In laboratoriumtests toonde het team aan dat een ijzerkatalysator met één atoom de prestaties benadert van op platina gebaseerde katalysatoren in een echt brandstofcelsysteem.

Naast het produceren van een goedkopere katalysator voor brandstofcellen, kan de methode die het team ontwikkelde om te creëren worden aangepast voor andere katalysatoren voor andere processen, zoals chemische reacties waarbij zuurstof uit de lucht wordt gebruikt als reactant in plaats van dure chemische oxidanten, en bij de behandeling van afvalwater lucht gebruiken om schadelijke verontreinigingen te verwijderen.

Eerste auteur Dr. Asad Mehmood, van het Department of Chemistry van Imperial, zei:"We hebben een nieuwe benadering ontwikkeld om een ​​reeks 'single-atom'-katalysatoren te maken die een mogelijkheid bieden om een ​​reeks nieuwe chemische en elektrochemische processen mogelijk te maken. , hebben we een unieke synthetische methode gebruikt, transmetallatie genaamd, om te voorkomen dat er tijdens de synthese ijzerclusters worden gevormd. Dit proces zou gunstig moeten zijn voor andere wetenschappers die een soortgelijk type katalysator willen maken."

Het team werkte samen met de Britse fabrikant van brandstofcelkatalysatoren Johnson Matthey om de katalysator in geschikte systemen te testen en hoopt hun nieuwe katalysator op te schalen zodat deze kan worden gebruikt in commerciële brandstofcellen. Ondertussen werken ze aan het verbeteren van de stabiliteit van de katalysator, zodat deze zowel qua duurzaamheid als qua prestaties overeenkomt met platina. + Verder verkennen

Grootschalige synthesemethoden voor katalysatoren met één atoom voor alkalische brandstofcellen