Een met stikstof gedoteerde, met koolstof gecoate nikkelanode kan een essentiële reactie in waterstofbrandstofcellen katalyseren tegen een fractie van de kosten van de edele metalen die momenteel worden gebruikt, hebben onderzoekers van de Cornell University ontdekt.

De nieuwe ontdekking zou het wijdverbreide gebruik van waterstofbrandstofcellen kunnen versnellen, die veelbelovend zijn als efficiënte, schone energiebronnen voor voertuigen en andere toepassingen.

Het is een van de vele ontdekkingen voor het Héctor D. Abruña-lab in hun voortdurende zoektocht naar actieve, goedkope, duurzame katalysatoren voor gebruik in alkalische brandstofcellen.

"Deze bevinding boekt vooruitgang in de richting van het gebruik van efficiënte, schone waterstofbrandstofcellen in plaats van fossiele brandstoffen", zegt Abruña, de Emile M. Chamot-hoogleraar in de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie van het College of Arts and Sciences.

De resultaten zijn op 21 maart gepubliceerd in "Een volledig edele metaalvrije alkalische brandstofcel met verbeterde prestaties met behulp van een koolstofgecoate nikkelanode", in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Dure edelmetalen, zoals platina, zijn momenteel vereist in waterstofbrandstofcellen om de reacties die ze gebruiken om elektriciteit te produceren, efficiënt te katalyseren. Hoewel alkalische polymere elektrolytmembraanbrandstofcellen (APEMFC's) het gebruik van niet-edele metalen elektrokatalysatoren mogelijk maken, missen ze de noodzakelijke prestaties en duurzaamheid om systemen op basis van edelmetalen te vervangen.

Een brandstofcel produceert elektriciteit via de waterstofoxidatiereactie (HOR) en een zuurstofreductiereactie (OOR). Met name platina is een modelkatalysator voor beide reacties omdat het ze efficiënt katalyseert en duurzaam is in de zure omgeving van een PEM-brandstofcel, zei Abruña.

Maar hoe zit het met andere materialen?

Recente experimenten met HOR-elektrokatalysatoren van niet-edelmetalen waren bedoeld om twee grote uitdagingen te overwinnen, schreven de onderzoekers:lage intrinsieke activiteit door een te sterke waterstofbindingsenergie en slechte duurzaamheid als gevolg van snelle passivering door metaaloxidevorming.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, ontwierpen de onderzoekers een op nikkel gebaseerde elektrokatalysator met een omhulsel van 2 nanometer gemaakt van met stikstof gedoteerde koolstof.

Hun waterstofbrandstofcel heeft een anode (waar waterstof wordt geoxideerd) katalysator die bestaat uit een vaste nikkelkern omgeven door de koolstofschil. In combinatie met een kobalt-mangaankathode (waar zuurstof wordt gereduceerd), levert de resulterende volledig edelmetaalvrije waterstofbrandstofcel meer dan 200 milliwatt per vierkante centimeter.

De aanwezigheid van nikkeloxidesoorten op het oppervlak van de nikkelelektrode vertraagt ​​​​de waterstofoxidatiereactie dramatisch, zei Abruña. De met stikstof gedoteerde koolstofcoating dient als een beschermingslaag en verbetert de HOR-kinetiek, waardoor de reactie sneller en veel efficiënter verloopt.

Bovendien voorkomt de aanwezigheid van de grafeencoating op de nikkelelektrode de vorming van nikkeloxiden, wat resulteert in elektroden met een aanzienlijk langere levensduur. Deze elektroden zijn ook veel toleranter voor koolmonoxide, dat platina snel vergiftigt.

"Het gebruik van deze nieuwe anode zou de prijzen drastisch verlagen, waardoor de toepassing van alkalische brandstofcellen in een groot aantal verschillende gebieden mogelijk wordt," zei Abruña.

Co-auteurs zijn onder meer Francis DiSalvo, de John A. Newman emeritus hoogleraar scheikunde; Yao Yang, Ph.D. '21; David Muller, de Samuel B. Eckert Professor of Engineering aan het College of Engineering en de mededirecteur van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science, evenals medewerkers van de Wuhan University in het laboratorium van Lin Zhuang en de University of Wisconsin, Madison met Manos Mavrikakis.

In februari ontdekten Abruña en collega's, waaronder DiSalvo, dat een kobaltnitride-katalysator bijna net zo efficiënt is als platina bij het katalyseren van de zuurstofreductiereactie. + Verder verkennen

Nieuwe katalysatoren sturen waterstofbrandstofcellen mainstream