Lehigh-forskare har samarbetat med kollegor i Kina och vid tre nationella laboratorier i USA för att utveckla en guldbaserad katalysator som de tror kan förbättra prestanda och effektivitet hos bränsleceller som körs på väte.

Skriver in Vetenskap tidskrift, gruppen sa att dess katalysator-innefattande flotte-nanopartiklar av guld på en speciell typ av molybdenkarbid (α-MoC) -substrat-hade uppnått en hög aktivitetsnivå vid låga temperaturer samtidigt som de producerade de rena väteströmmarna som var nödvändiga för att driva bränsleceller.

Forskarna sa att de uppnådde sina resultat genom att använda vatten-gasskift-reaktionen (WGS), som omvandlar kolmonoxid (CO) och vatten till väte (H2) och koldioxid (CO2). Gruppen kunde rena vätet genom att använda allt tillgängligt CO, som tenderar att avaktivera bränslecellskatalysatorer. WGS -reaktionen, som vanligtvis används för att tillverka väte för tillverkning av kemikalier som ammoniak, är också en kritisk del av ansträngningen att övergå från kolvätebaserade bränslen till väte.

"Vår reaktion producerar en ström av mycket rent väte som inte är förorenat med CO, som om föreligger skulle förgifta katalysatorerna i bränslecellen, "sa Christopher J. Kiely, Harold B. Chambers seniorprofessor i materialvetenskap och teknik vid Lehigh. "Vi är verkligen glada över den här utvecklingen eftersom den ger oss ett steg närmare att ha bilar som körs på vätebränsleceller."

Kiely sa att användningen av α-MoC-substratet-en innovation av Ding Ma och hans kollegor vid Peking University i Kina-gjorde det möjligt för gruppen att övervinna brister som tidigare rapporterats med katalysering av WGS-reaktionen.

"Det har länge varit känt att guld som stöds på olika oxidsubstrat kan åstadkomma WGS-reaktionen. Häftpunkten hittills har varit att den katalytiska aktiviteten i allmänhet var för låg och alltid var katalysatorn inte tillräckligt stabil för långvarig användning."

Gruppen rapporterade sina resultat den 28 juli i ett papper med titeln "Atomic-lagrade Au-kluster på alfa-molybdenkarbid (α-MoC) som katalysatorer för lågtemperatur-vatten-gas-skiftreaktionen."

Förutom Kiely, tidningens författare inkluderar Li Lu, en Lehigh Ph.D. kandidat, och Wu Zhou, som tog sin doktorsexamen vid Lehigh 2010 och är nu professor vid University of the Chinese Academy of Sciences i Peking.

De andra författarna är anslutna till Peking University, Dalian University of Technology, Synfuels China och Taiyuan University of Technology, alla i Kina, och Oak Ridge, Brookhaven och Lawrence Berkeley National Laboratories i USA Den ledande forskaren i arbetet är Ding Ma, en professor vid College of Chemistry and Molecular Engineering och Engineering College vid Peking University i Peking.

För att uppnå hög katalytisk aktivitet vid låg temperatur (dvs. under de 150 grader C. som behövs för att effektivt driva en bränslecell), gruppen sprider guldet på en hårdmetall (α-MoC) istället för järnoxiden, ceriumoxid eller andra reducerbara oxidsubstrat som tidigare testats för WGS -reaktionen. Den nya katalysatorformuleringen visade sig vara mer stabil än konventionella katalysatorer, samtidigt som man uppnår mycket större aktivitet, ett mått på en katalysators effektivitet.

"Skönheten i α-MoC-stödet, "sa Kiely, "är att det kan aktivera vattnet så att det skapar aktiva hydroxylarter (OH), som sedan kan reagera med CO för att ge väte och CO2. Karbidstödet spelar därför en mycket stark och kritisk roll i denna reaktion.

"Detta system fungerar mycket bra vid de temperaturer och tryck som behövs för bränslecellstillämpningar och dess aktivitet är en storleksordning bättre än för tidigare testade guldbaserade katalysatorer."

I studier gjorda med Lehighs aberrationskorrigerade skanningstransmissionselektronmikroskop (STEM), gruppen visade att guldet finns i två olika former på α-MoC-stödet.

"Mikroskopin har visat att guldet existerar som nanoskala flottar bara några atomer tjocka och även som enskilda guldatomer spridda över stödet, "sa Kiely, som leder Lehighs elektronmikroskopi och nanofabrikationsanläggning.

"Vi mätte den katalytiska aktiviteten med båda dessa arter närvarande på α-MoC-stödet. Sedan tog vi selektivt bort partiklarna, lämnar bara atomerna bakom. När vi gjorde detta, aktiviteten sjönk till mindre än en tiondel av sin ursprungliga nivå. Det visade oss att det mesta av aktiviteten kommer från dessa flottliknande partiklar. "

Artikeln är den nionde som Kiely hittills har publicerat i Science; han har också publicerat fyra i Nature. De två publikationerna anses vara världens ledande vetenskapliga tidskrifter.

Tidigare den här månaden, Kiely fick en av de högsta utmärkelserna inom sitt område när han valdes in som stipendiat i Microscopy Society of America.

MSA Fellow -beteckningen uppmärksammar årligen högt framstående medlemmar i samhället vars prestationer och service har bidragit betydligt till att utveckla områdena mikroskopi och mikroanalys.

Kiely citerades för "utmärkta bidrag till karakteriseringen av nanoskalaegenskaper i partikelformiga material och gränssnitt, särskilt inom områdena katalysatormaterial, självmonteringsfenomen i nanopartiklar, kolhaltiga material, och halvledar hetero -gränssnitt. "