Bränsleceller och vattenelektrolysatorer som är billiga och effektiva kommer att utgöra hörnstenen i en vätebränslebaserad ekonomi, som är ett av de mest lovande rena och hållbara alternativen till fossila bränslen. Dessa enheter är beroende av material som kallas elektrokatalysatorer för att fungera, så utvecklingen av effektiva och billiga katalysatorer är avgörande för att göra vätgas till ett livskraftigt alternativ. Forskare vid Aalto universitet har utvecklat ett nytt katalysatormaterial för att förbättra denna teknik.

Syrereduktionsreaktionen (ORR) och syreutvecklingsreaktionen (OER) är de viktigaste elektrokemiska reaktionerna som begränsar effektiviteten hos vätebränsleceller (för drivande fordon och kraftproduktion), vattenelektrolysatorer (för ren väteproduktion), och metall-luftbatterier med hög kapacitet. Fysiker och kemister på Aalto samarbetar med forskare på CNRS Frankrike, och Wien i Österrike har utvecklat en ny katalysator som driver dessa reaktioner mer effektivt än andra bifunktionella katalysatorer som för närvarande finns tillgängliga. Forskarna fann också att den elektrokatalytiska aktiviteten hos deras nya katalysator kan ändras avsevärt beroende på val av material på vilket katalysatorn deponerades.

"Vi vill ersätta traditionella dyra och knappa katalysatorer baserade på ädla metaller som platina och iridium med mycket aktiva och stabila alternativ som består av billiga och jordmängder som övergångsmetaller, kol och kväve. "säger Dr Mohammad Tavakkoli, forskaren på Aalto som ledde arbetet och skrev uppsatsen.

I samarbete med CNRS producerade teamet en mycket porös grafen -kol nanorörshybrid och dopade den med enstaka atomer av andra element som är kända för att göra bra katalysatorer. Grafen och kolnanorör (CNT) är de enatom-tjocka två- och endimensionella allotroperna av kol, respektive, som har väckt stort intresse för både akademi och industri på grund av deras enastående egenskaper jämfört med mer traditionella material. De utvecklade en enkel och skalbar metod för att odla dessa nanomaterial samtidigt, kombinerar deras egenskaper i en enda produkt. "Vi är ett av de ledande teamen i världen för skalbar syntes av dubbelväggiga kolnanorör. Innovationen här var att modifiera vår tillverkningsprocess för att förbereda dessa unika prover, "sade Dr Emmanuel Flahut, forskningsdirektör på CNRS.

I denna enstegsprocess, de kan också doppa grafen med kväve och/eller metalliska (kobolt och molybden) enkelatomer som en lovande strategi för att producera enkelatomskatalysatorer (SAC). Inom katalysvetenskap, det nya området för SAC med isolerade metallatomer spridda på fasta underlag har väckt stor forskningsuppmärksamhet på grund av den maximala atomutnyttjandeeffektiviteten och SAC:s unika egenskaper. Jämfört med rivaliserande strategier för att göra SAC, metoden som används av Aalto &CNRS -teamet ger en enkel metod som sker i ett steg, hålla nere kostnaderna.

Katalysatorunderlag kan öka prestanda

Katalysatorer deponeras vanligtvis på ett underliggande substrat. Den roll som detta substrat spelar för katalysatorns slutliga reaktivitet försummas vanligtvis av forskare, dock för denna nya katalysator, forskarna upptäckte att substratet spelade en viktig roll i dess effektivitet. Teamet fann porös struktur av deras material gör det möjligt att komma åt mer aktiva katalysatorställen som bildas vid dess gränssnitt mot substratet, så de utvecklade en ny metod för elektrokemisk mikroskopi för att mäta hur detta gränssnitt kan bidra till att katalysera reaktionen och producera den mest effektiva katalysatorn. De hoppas att deras undersökning av substrateffekter på den katalytiska aktiviteten hos porösa material utgör grunden för en rationell design av högpresterande elektroder för de elektrokemiska energianordningarna och ger riktlinjer för framtida studier.