Om brandstofcellen betaalbaarder te maken, hebben onderzoekers tientallen jaren gezocht naar goedkope katalysatoren ter vervanging van platina en andere dure metalen.

Dit omvat het experimenteren met verschillende combinaties van drie overvloedige en relatief goedkope materialen:ijzer, stikstof en koolstof. De resultaten tot nu toe zijn ongelijkmatig. Onderzoekers kunnen de ijzer-stikstof-koolstof-katalysator duurzaam of efficiënt maken, maar niet allebei.

Een nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van Buffalo kan een oplossing bieden. In het tijdschrift Nature Catalysis rapporteren onderzoekers hoe het toevoegen van waterstof aan het fabricageproces een sterke en effectieve katalysator creëert die de prestaties van platina benadert.

Deze vooruitgang duidt op een belangrijke stap in de richting van het helpen van de brandstofceltechnologie om haar potentieel als vervuilingsvrije leverancier van elektriciteit voor auto's, vrachtwagens, treinen, vliegtuigen en andere zware voertuigen waar te maken.

"Jarenlang heeft de wetenschappelijke gemeenschap moeite gehad om deze afweging in evenwicht te brengen. We kunnen goedkope producten maken die effectief zijn maar te gemakkelijk degraderen. Of we hebben ze heel stabiel gemaakt, maar hun prestaties konden niet tippen aan platina. Met dit werk kunnen we ze heel stabiel maken, maar hun prestaties kunnen niet tippen aan platina." we hebben een stap gezet in de richting van het oplossen van dit probleem", zegt de corresponderende auteur van het onderzoek, Gang Wu, Ph.D., professor aan de afdeling Chemische en Biologische Technologie van de School of Engineering and Applied Sciences.

Het werk bouwt voort op eerder onderzoek onder leiding van Wu, waarin ijzer-stikstof-koolstof-katalysatoren werden beschreven die, hoewel duurzaam, moeite hadden om belangrijke chemische reacties in brandstofcellen te versnellen.

Het nieuwe onderzoek heeft deze beperking aangepakt tijdens een fabricageproces dat pyrolyse wordt genoemd, waarbij extreem hoge temperaturen worden gebruikt om materialen te combineren.

Tijdens pyrolyse bonden onderzoekers vier stikstofatomen aan het ijzer in een hogetemperatuurkamer. Vervolgens hebben ze dit materiaal ingebed in een paar lagen grafeen, een taaie, lichte en flexibele vorm van koolstof.

Meestal vindt dit proces plaats in een kamer met een inert gas, zoals argon. Deze keer hebben onderzoekers echter waterstof in de kamer gevoerd om een ​​mengsel van 90% argon en 10% waterstof te creëren.

Als gevolg hiervan konden onderzoekers de samenstelling van de katalysator nauwkeuriger controleren. Concreet waren ze in staat om twee verschillende ijzer-stikstof-koolstofverbindingen (de ene bevatte 10 koolstofatomen, de andere 12 koolstofatomen) op posities te plaatsen die duurzaamheid en efficiëntie ondersteunen.

De resulterende katalysator bereikte aanvankelijke brandstofcelprestaties die ruim boven de doelstelling van het ministerie van Energie voor 2025 lagen. Hij bleek ook duurzamer dan de meeste ijzer-stikstof-koolstof-katalysatoren en benaderde een typische kathode met een laag platina-gehalte die voor brandstofcellen wordt gebruikt.

Meer informatie: Het afstemmen van de thermische activeringsatmosfeer verbreekt de wisselwerking tussen activiteit en stabiliteit van Fe-N-C-brandstofcelkatalysatoren voor zuurstofreductie. Natuurkatalyse (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01062-8

Journaalinformatie: Natuurkatalyse

Aangeboden door de Universiteit van Buffalo