Syre hotar hållbara katalysatorer som använder väte för att producera el i bränsleceller. Forskare från Bochum och Marseille har utvecklat ett sätt att bekämpa detta.

Effektiva katalysatorer för att omvandla väte till el i bränsleceller för energiomställningen är ofta baserade på dyra, sällsynta metaller som platina. Användningen av billigare metaller och biologiska komponenter som fungerar lika effektivt har hittills förkortat livslängden för katalysatorer eftersom de är känsliga för syre. Ett forskarlag från Bochum och Marseille har lyckats integrera en sådan katalysator i en extremt tunn skyddande film av molekylära byggstenar som skyddar den från syre och därmed gör dess livslängd praktiskt taget oändlig samtidigt som dess förmåga att arbeta effektivt bibehålls. Teamet rapporterar i Journal of the American Chemical Society den 16 september 2019.

Forskarna ledda av professor Nicolas Plumeré från Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) arbetade med denna studie tillsammans med Dr. Vincent Fourmond och Dr. Christophe Léger från Centre national de la recherche scientifique Marseille .

Tjocka lager är inte bra i praktiken

Teamen har arbetat en tid med att få effektiva biokatalysatorer som innehåller syrekänsliga hydrogenaser att hålla längre. "Vi utvecklade en självförsvarsmekanism baserad på en ledande polymerfilm för ungefär fem år sedan, " förklarar Nicolas Plumeré. Elektronerna som produceras under oxidationen av väte transporteras genom filmen och reagerar med syre, som alltså avlägsnas innan det når insidan av katalysatorn, där syrekänsliga enzymer finns. "Dock, det var inte möjligt att använda katalysatorerna i praktiken, " säger forskaren. "Vid över 100 mikrometer, polymerfilmerna var så tjocka att de försämrade effektiviteten. "

I det pågående arbetet, forskarna visar att även i en mycket tunnare polymerfilm, hydrogenaserna är säkra från syre. "Förvånande, dessa filmer, som bara är några mikrometer tjocka, är ännu mer robusta än de tjockare, säger Nicolas Plumeré. 50 procent av katalysatorn bidrar nu till katalys – siffran var bara 0,3 procent för tjockare skyddsfilmer.

Definierat skyddande lager tillverkat av små molekylära sfärer

Byggstenarna som utgör skyddsfilmen är kärnan i den nya utvecklingen. För detta, forskarna använder små sfärer med en diameter på bara fem nanometer, som alla har en identisk struktur, kända som dendrimerer. Detta gjorde det möjligt för dem att exakt kontrollera tjockleken på det resulterande lagret.

Dendrimererna kan transportera elektroner mer effektivt än de polymerer som använts tidigare. "Denna ökade ledningsförmåga innebär att elektronerna rör sig snabbare genom filmen och kan stoppa syre på ett större avstånd från katalysatorn, " förklarar Plumeré.

22, 000 år av effektiv katalys

Forskarna blev förvånade över att observera att tjockleken på skyddsfilmen har en betydande effekt på katalysatorns livslängd:I en tre mikrometer tjock film, en katalysator överlever i närvaro av syre i endast cirka tio minuter. Om filmen är sex mikrometer tjock, livslängden kan förlängas till upp till ett år under samma förhållanden. "Ytterligare två mikrometer i tjocklek förlänger teoretiskt katalysatorns livslängd till 22, 000 år, säger forskarna, förvånad.

Grannhjälp förlänger livet

Teamet var lika förvånade över att den skyddande filmen inte bara håller skadliga syremolekyler borta, men är till och med kapabel att återaktivera en katalysator som inte längre är funktionell genom att förse den med elektroner från en närliggande aktiv katalysator. "Med andra ord:Katalysatorer i denna skyddsfilm skyddar inte bara sig själva, men också varandra, "sammanfattar Plumeré. Denna egenskap gör det också möjligt för katalysatorer att ha ett oändligt liv i skyddande lager som bara är tre mikrometer tjocka.

"Denna extrema livslängd tar oss ytterligare ett steg närmare att använda sådana syrekänsliga biokatalysatorer i bränsleceller, säger forskargruppen.