För att minska kostnaderna för nästa generations polymerelektrolytbränsleceller för fordon, forskare har utvecklat alternativ till de oöverkomligt dyra platina- och platinagruppmetallkatalysatorer (PGM) som för närvarande används i bränslecellselektroder. Nytt arbete vid Los Alamos och Oak Ridge nationella laboratorier löser svåra bränslecellsprestandafrågor, både för att fastställa effektiva nya material och förstå hur de fungerar på atomnivå. Forskningen beskrivs denna vecka i tidskriften Vetenskap .

"Det som gör denna utforskning särskilt viktig är att den förbättrar vår förståelse för exakt varför dessa alternativa katalysatorer är aktiva, sade Piotr Zelenay, ledare för projektet vid Los Alamos National Laboratory. "Vi har avancerat fältet, men utan att förstå källorna till aktivitet; utan de strukturella och funktionella insikterna, ytterligare framsteg skulle bli mycket svårt."

Bygger på tidigare studier, det Los Alamos-ledda teamet har syntetiserat katalysatorer som består av billiga platinaalternativ som ger en prestanda som är jämförbar med den vanliga PGM-bränslecellskatalysatorn som används i fordonstillämpningar. Med hjälp av sofistikerad mikroskopi vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL), forskare kunde direkt observera de enatoms aktiva platserna i det nya materialet där katalys äger rum, som gav unika insikter om det PGM-fria materialets effektivitetspotential.

Platina hjälper till både vid elektrokatalytisk oxidation av vätebränsle vid anoden och elektrokatalytisk reduktion av syre från luft vid katoden, producerar användbar el. Att hitta en livskraftig, billiga PGM-fria katalysatoralternativ blir mer och mer möjligt, men att förstå exakt var och hur katalys sker i dessa nya material har varit en långvarig utmaning. Detta är sant, Zelenay noterade, speciellt i bränslecells katoden, där en relativt långsam syrereduktionsreaktion, eller ORR, sker som kräver betydande "lastning" av platina.

Det nya materialet som undersöks i denna studie är en järn-kväve-kol (Fe-N-C) elektrokatalysator, syntetiserades med två kväveprekursorer som utvecklade en hierarkisk porstruktur för att exponera en stor del av kolytorna för syre. Dess bränslecellsprestanda närmar sig den för platinakatalysatorer, ett betydande framsteg, som dokumenterats i bränslecellstestbänkens prestanda.

Genom användning av ORNL:s aberrationskorrigerade sveptransmissionselektronmikroskop och elektronenergiförlustspektroskopi, ORNL-forskare kunde ge den första direkta observationen av den ofta föreslagna ORR-aktiva platsen, FeN4, på atomnivå.

"Med både denna prestanda och den atomära visualiseringen av reaktionsställena, vi minskar gapet för att ersätta platina med en högpresterande katalysator som är redo att skalas upp för potentiell tillämpning i bränsleceller för fordonstillämpningar, sa Karren More, ORNL mikroskopi gruppledare.

Dessutom, den höga aktiviteten hos Fe-N-C-katalysatorer och FeN4-strukturen på det aktiva stället förutspåddes genom datormodellering utförd i Los Alamos, liksom den möjliga reaktionsvägen.

"I den här artikeln kopplar vi modellerings- och mikroskopiresultaten med den elektrokemiskt bestämda höga aktiviteten hos en PGM-fri syrereduktionsreaktionskatalysator, " sa Zelenay.

Los Alamos forskning om bränsleceller utökar alternativen för energiproduktion till stöd för laboratoriets uppdrag att stärka landets energisäkerhet.