Den nya katalysatorn, ett kofalt kobolt porfyrin, skapas med hjälp av en process som kallas molekylär självmontering. Under denna process, en injektionsflaska fylld med molekyler som kallas koboltporfyriner (injektionsflaska till vänster) blandas med en injektionsflaska med rutenium "clips" (injektionsflaska i mitten). Slutprodukten, kofacial kobolt porfyrinkatalysator, är avbildad i injektionsflaskan till höger. Upphovsman:Douglas Levere/University at Buffalo
Vad är bättre än platina?
I vätebränsleceller, svaret är kofalt koboltporfyriner.
Det är en munsbit att säga, och om du inte är kemist, du har förmodligen aldrig hört talas om dessa föreningar förut. Men dessa molekyler - som är bra på att underlätta en kemisk reaktion som behövs för att producera kraft från väte och syre - kan vara nästa stora framsteg inom alternativ energi.
Föreningarna samlar sig själva i labbet från legoliknande kemiska byggstenar som är utformade för att passa ihop. Det är skaka-och-bak-teknik:Forskare lägger bitarna i en kolv, rör ihop dem och tillsätt värme. Över tid, byggstenarna sammanfogas på rätt ställen för att bilda de sista komplexen.
Materialet är billigt och lätt att tillverka i stora mängder. Detta gör den till en idealisk kandidat för att ersätta dyra platinakatalysatorer som används i vätebränsleceller idag, säger Timothy Cook, Ph.D., biträdande professor i kemi vid universitetet vid Buffalo College of Arts and Sciences, vars team designade de nya självmonterade föreningarna.
Sådan teknik kan en dag göra det möjligt för biltillverkare att sänka priset på vätebilar, sätta de miljövänliga fordonen inom räckhåll för fler konsumenter. Billiga bränsleceller kan också driva utvecklingen av andra vätgasdrivna enheter, som backupgeneratorer. Vätgas anses vara en ren energikälla eftersom bränsleceller bara avger vatten som en biprodukt.
"För att sänka priset på vätgasfordon och göra dem till ett realistiskt alternativ för fler människor, vi behöver en katalysator som är billigare än platina, "Cook säger." Katalysatorn vi tillverkade kan monteras själv i stora mängder. Det har rutenium och kobolt i det - mycket billigare metaller - och, än, det fungerar lika bra eller bättre än en kommersiellt tillgänglig platinakatalysator som vi testade vid sidan av. "
En studie som beskriver det nya materialet publicerades den 29 maj i Chemistry:A European Journal . Cooks medförfattare inkluderade första författaren Amanda N. Oldacre, en ny UB -kemi Ph.D. examen; UB kemi Ph.D. student Matthew R. Crawley; och Alan E. Friedman, Ph.D., forskarassistent i materialdesign och innovation vid UB School of Engineering and Applied Sciences.
En självtillverkande katalysator
Cooks laboratorium är specialiserat på molekylär självmontering, en kraftfull process för att skapa nya material.
"När jag tänker på molekylär självmontering, Jag tänker alltid på Legos, "säger han." Du har byggstenar som är utformade för att passa ihop, som pusselbitar. Dessa byggstenar lockas till varandra, och när du sätter ihop dem och lägger till energi, de kommer ihop på egen hand.
En rundkolv fylld med kofacial koboltporfyrin, en ny katalysator för vätebränsleceller. Upphovsman:Douglas Levere/University at Buffalo
"Självmontering är ett bra sätt att skapa en komplex molekyl. Vanligtvis, att syntetisera ett nytt material, du måste lägga till bitar en efter en, vilket tar tid och pengar. Molekylär självmontering går snabbare-det är en ettstegsprocess. "
Kofaltkoboltporfyriner består av två platta molekyler som kallas koboltporfyriner, som staplas ovanpå varandra som smörgåsbröd och länkas med rutenium "klipp".
För att skapa de slutliga föreningarna, Cooks laboratorium designade porfyriner och klipp med kemiska egenskaper som säkerställde att de skulle ansluta till varandra på rätt ställen. Teamet blandade sedan en lösning av porfyrinerna med clipsen och tillsatte värme. Om två dagar, bitarna hade självmonterats för att bilda de kofaciala koboltporfyrinerna.
En katalysator inspirerad av naturen
Precis som platinakatalysatorn är de avsedda att ersätta, de kofaciala koboltporfyrinerna underlättar en kemisk reaktion i vätebränsleceller som kallas syrereduktion. Detta innebär att en syremolekyl delas upp i två separata syreatomer som sedan kan bindas med väte för att bilda vatten - en interaktion som producerar energi.
Forskare har länge vetat att porfyriner är bra på att ta tag i och dela syre:I människokroppen, järnbaserade versioner av dessa molekyler är ansvariga för att hjälpa till att omvandla syret vi andas in i vatten, frigör energi i processen, Cook säger.
Den nya katalysatorn, ett kofalt kobolt porfyrin, visat ur olika perspektiv. Föreningen består av två platta molekyler som kallas koboltporfyriner, som staplas ovanpå varandra som smörgåsbröd och länkas med ruthenium 'clips'. Upphovsman:Matthew Crawley
Men att designa konstgjorda porfyrinstrukturer som fungerar som katalysatorer har varit svårt, han lägger till. Processen att skapa dessa föreningar är vanligtvis dyr, involverar många steg och genererar väldigt lite material i slutet.
Självmontering löser dessa problem:Cooks team skapade 79 gram kofaltkoboltporfyriner för varje 100 gram startmaterial-mycket bättre än det avkastning på mindre än 1 procent som andra laboratorier har rapporterat vid syntetisering av liknande material. Dessutom, hans team kunde enkelt byta ut och testa ruteniumklämmor i olika längder för att finjustera föreningens elektrokemiska egenskaper med sikte på att designa en idealisk katalysator.
"Det är verkligen givande att arbeta med den grundläggande kemin i detta projekt, som kan ha stor inverkan på kolneutral energiomvandling, säger Oldacre, den första författaren. "Med hjälp av självmonteringsmetoder, vi kan göra billigare material på 48 timmar, utan det svåra, tidskrävande reningssteg som andra metoder för syntetisering av nya föreningar kräver. "
