Forskare har utvecklat en ny lågtemperaturkatalysator för att producera vätgas med hög renhet och samtidigt använda upp kolmonoxid (CO). Upptäckten beskrivs i ett papper som ska publiceras online i tidskriften Vetenskap på torsdag, 22 juni, 2017-kan förbättra prestandan hos bränsleceller som drivs med vätebränsle men som kan förgiftas av CO.

"Denna katalysator producerar en renare form av väte för att matas in i bränslecellen, sa José Rodriguez, en kemist vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory. Rodriguez och kollegor i Brookhavens kemiavdelning-Ping Liu och Wenqian Xu-var bland teamet av forskare som hjälpte till att karakterisera de strukturella och mekanistiska detaljerna hos katalysatorn, som syntetiserades och testades av medarbetare vid Peking University i ett försök ledd av kemiprofessor Ding Ma.

Eftersom katalysatorn arbetar vid låg temperatur och lågt tryck för att omvandla vatten (H2O) och kolmonoxid (CO) till vätgas (H2) och koldioxid (CO2), det kan också sänka kostnaderna för att driva denna så kallade "vattengasskifte"-reaktion.

"Med låg temperatur och tryck, energiförbrukningen blir lägre och experimentupplägget blir billigare och lättare att använda i små miljöer, som bränsleceller för bilar, sa Rodriguez.

Guld-karbidkopplingen

Katalysatorn består av kluster av guldnanopartiklar skiktade på ett molybdenkarbidsubstrat. Denna kemiska kombination skiljer sig ganska mycket från de oxidbaserade katalysatorer som används för att driva vattengasskiftningsreaktionen i storskaliga industriella väteproduktionsanläggningar.

"Karbider är mer kemiskt reaktiva än oxider, sa Rodriguez, "och guld-karbid-gränssnittet har goda egenskaper för vattengasskiftningsreaktionen; det interagerar bättre med vatten än rena metaller."

"Gruppen vid Peking University upptäckte en ny syntetisk metod, och det var ett riktigt genombrott, " sade Rodriguez. "De hittade ett sätt att få en specifik fas - eller konfiguration av atomerna - som är mycket aktiv för denna reaktion."

Brookhaven-forskare spelade en nyckelroll i att dechiffrera orsakerna till den höga katalytiska aktiviteten hos denna konfiguration. Rodriguez, Wenqian Xu, och Siyu Yao (då student vid Peking University men nu postdoktor vid Brookhaven) genomförde strukturella studier med röntgendiffraktion vid National Synchrotron Light Source (NSLS) medan katalysatorn arbetade under industriella eller tekniska förhållanden. Dessa operandoexperiment avslöjade avgörande detaljer om hur strukturen förändrades under olika driftsförhållanden, inklusive vid olika temperaturer.

Med de strukturella detaljerna i handen, Zhijun Zuo, en gästprofessor vid Brookhaven från Taiyuan University of Technology, Kina, och Brookhaven-kemisten Ping Liu hjälpte till att utveckla modeller och ett teoretiskt ramverk för att förklara varför katalysatorn fungerar som den gör, med hjälp av beräkningsresurser vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN).

"Vi modellerade olika gränssnitt av guld och molybdenkarbid och studerade reaktionsmekanismen för att identifiera exakt var reaktionerna äger rum - de aktiva platserna där atomer binder, och hur band bryts och reformeras, " Hon sa.

Ytterligare studier vid Oak Ridge National Laboratory's Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), den avancerade ljuskällan (ALS) vid Lawrence Berkeley National Laboratory, och två synkrotronforskningsanläggningar i Kina bidrog till forskarnas förståelse.

"Detta är en komplex reaktion med flera delar, sa Liu, men hon noterade en väsentlig faktor:"Interaktionen mellan guldet och karbidsubstratet är mycket viktig. Guld binder vanligtvis saker mycket svagt. Med denna syntesmetod får vi starkare vidhäftning av guld till molybdenkarbid på ett kontrollerat sätt."

Den konfigurationen stabiliserar nyckelmellanprodukten som bildas när reaktionen fortskrider, och stabiliteten hos den mellanprodukten bestämmer hastigheten för väteproduktion, Hon sa.

Brookhaven-teamet kommer att fortsätta att studera denna och andra karbidkatalysatorer med nya möjligheter vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en ny anläggning som öppnade på Brookhaven Lab 2014, ersätter NSLS och producerar röntgenstrålar som är 10, 000 gånger ljusare. Med dessa ljusare röntgenstrålar, forskarna hoppas kunna fånga fler detaljer om kemin i aktion, inklusive detaljer om de mellanprodukter som bildas under hela reaktionsprocessen för att validera de teoretiska förutsägelser som gjorts i denna studie.