Wetenschappers van Rice University hebben een duurzame katalysator voor hoogwaardige brandstofcellen gefabriceerd door enkele rutheniumatomen aan grafeen te hechten.

Katalysatoren die de zuurstofreductiereactie aandrijven waarmee brandstofcellen chemische energie in elektriciteit kunnen omzetten, zijn meestal gemaakt van platina, die bestand is tegen de zure aard van de ladingdragende elektrolyt van de cel. Maar platina is duur, en wetenschappers hebben tientallen jaren gezocht naar een geschikte vervanger.

De combinatie van ruthenium en grafeen past misschien wel, zei chemicus James Tour, wiens lab het materiaal ontwikkelde met zijn collega's bij Rice en in China. Bij testen, de prestaties kwamen gemakkelijk overeen met die van traditionele op platina gebaseerde legeringen en bested ijzer en stikstof-gedoteerde grafeen, een andere mededinger.

Een artikel over de ontdekking verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

"Ruthenium is vaak een zeer actieve katalysator wanneer het wordt gefixeerd tussen reeksen van vier stikstofatomen, toch is het een tiende van de prijs van traditioneel platina, " zei Tour. "En aangezien we enkelvoudige atoomplaatsen gebruiken in plaats van kleine deeltjes, er zijn geen begraven atomen die niet kunnen reageren. Alle atomen zijn beschikbaar voor reactie."

Het verspreiden van enkele rutheniumatomen over een vel grafeen, de atoomdikke vorm van koolstof, bleek vrij eenvoudig te zijn, zei toer. Het betrof het dispergeren van grafeenoxide in een oplossing, laden in een kleine hoeveelheid ruthenium en vervolgens de nieuwe oplossing vriesdrogen en het in een schuim veranderen.

Dat bakken op 750 graden Celsius (1, 382 graden Fahrenheit) in aanwezigheid van stikstof en waterstofgas verminderde het grafeen en sloot stikstofatomen aan het oppervlak, het verstrekken van plaatsen waar ruthenium atomen zouden kunnen binden.

Materialen gemaakt bij hogere en lagere temperaturen waren niet zo goed, en die gemaakt bij de juiste temperatuur maar zonder ruthenium of stikstof bewezen dat de kwaliteit van de reactie afhing van de aanwezigheid van beide.

Het materiaal vertoonde een uitstekende tolerantie tegen methanol-crossover en koolmonoxidevergiftiging in een zuur milieu, die beide de efficiëntie van brandstofcellen aantasten; een dergelijke degradatie is een hardnekkig probleem bij traditionele platinabrandstofcellen.