Den höga kostnaden för platinakatalysatorer som används i vätebränsleceller begränsar kommersialiseringen av bränslecellselektriska fordon. Forskare studerar alternativa katalysatorer för att öka kostnadseffektiviteten och upprätthålla effektiviteten hos vätebränsleceller.

Forskare letar alltmer efter vätebränslecellsystem som alternativa kraftkällor för fordon och andra applikationer på grund av deras snabba tankningstid, hög energitäthet och brist på skadliga utsläpp eller biprodukter.

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har nyligen utvecklat och studerat bränslecellskatalysatorer - kemikalier som påskyndar viktiga bränslecellsreaktioner - som inte använder platina. Forskningen ger bättre förståelse för de mekanismer som gör dessa katalysatorer effektiva, och de nya insikterna kan hjälpa till att informera om produktionen av ännu mer effektiva och kostnadseffektiva katalysatorer.

Kommersiellt tillgängliga vätebränsleceller är beroende av syrereduktionsreaktionen (ORR), som delar syremolekyler till syrejoner och kombinerar dem med protoner för att bilda vatten. Reaktionen är en del av den övergripande bränslecellsprocessen som omvandlar väte och syre i luft till vatten och elektricitet. ORR är en relativt långsam reaktion, begränsar bränslecellseffektiviteten och kräver en stor mängd platinakatalysator.

"För närvarande, syrereduktionsreaktionen underlättas av platinalegeringskatalysatorer, som är den dyraste komponenten i bränslecellselektroderna, sa Deborah Myers, en senior kemist och ledare för gruppen Hydrogen and Fuel Cell Materials i Argonnes division Chemical Sciences and Engineering (CSE). "Utbredd, hållbar kommersialisering av bränslecellselektriska fordon kräver antingen en dramatisk minskning av mängden platina som krävs eller ersättning av platinakatalysatorer med de som är gjorda av jordnära, billiga material som järn."

Den mest lovande platinafria katalysatorn för användning i ORR är baserad på järn, kväve och kol. För att tillverka katalysatorn, forskare blandar prekursorer som innehåller de tre elementen och värmer dem mellan 900 och 1100 grader Celsius i en process som kallas pyrolys.

Efter pyrolys, järnatomerna i materialet är bundna med fyra kväveatomer och inbäddade i ett plan av grafen, ett enatoms tjockt lager av kol. Var och en av järnatomerna utgör en aktiv plats, eller en plats där ORR kan inträffa. En större täthet av aktiva platser i materialet gör elektroden mer effektiv.

"Mekanismerna genom vilka de aktiva platserna bildas under pyrolys är fortfarande mycket mystiska, ", sa Myers. "Vi observerade processen i realtid på atomär skala för att få förståelse och för att informera om designen av bättre presterande katalysatorer."

Myers och medarbetare genomförde in situ röntgenabsorptionsspektroskopi vid Materials Research Collaborative Access Team (MR-CAT) vid Argonnes Advanced Photon Source (APS), en U.S.DOE Office of Science User Facility, för att avslöja materialets beteende på atomär skala under pyrolys. De riktade en röntgenstråle genom järnet, kväve och kolprekursorer och observerade vilka grundämnen som kemiskt binds till varandra och hur.

Forskarna fann att under pyrolysen av järnet, kväve och kolprekursorblandning, kväve-grafenställena bildas först, och sedan sätter sig gasformiga järnatomer in i dessa platser. De fann också att de kan producera en högre densitet av aktiva platser i katalysatorn genom att sätta in kväve i kolet först, använder en teknik som kallas doping, och sedan införa järn i systemet under pyrolys, i motsats till att värma alla tre komponenterna tillsammans.

Under denna process, forskarna placerar det kvävedopade kolet i ugnen, och gasformiga järnatomer sätter in sig själva i vakanser i mitten av grupper om fyra kväveatomer, bildar aktiva webbplatser. Detta tillvägagångssätt undviker klustring och begravning av järnatomer i huvuddelen av kolet, öka antalet aktiva platser på grafenytan.

Studien var en del av ett större projekt finansierat av DOE Fuel Cell Technologies Office, kallat Electrocatalysis Consortium (ElectroCat), syftar specifikt till att driva utvecklingen av platinafria katalysatorer för bränsleceller.

ElectroCat leds av Argonne och DOE:s Los Alamos National Laboratory och har medlemmar inklusive DOE:s National Renewable Energy Laboratory och Oak Ridge National Laboratory. Denna studie kom från ett samarbete mellan ElectroCat och Northeastern University.

"Vårt uppdrag som en av de centrala nationella laboratoriemedlemmarna i ElectroCat är att inte bara utveckla våra egna katalysatorer i konsortiet, men även för att stödja samarbeten med universitet och industri, sa Myers.

Slutsatserna av denna studie hjälper till att minska kunskapsgapet mellan ingående prekursorer och den resulterande strukturen hos katalysatorn efter pyrolys. Den centrala upptäckten ger forskare en möjlighet att öka den aktiva platsdensiteten i materialet, och gruppen kommer att fortsätta att utveckla mer aktiva och stabila platinafria katalysatorer för användning i vätebränsleceller.

Ett dokument som beskriver resultaten av studien, med titeln "Evolutionsväg från järnföreningar till Fe1(II)-N4-ställen genom gasfasjärn under pyrolys, " publicerades den 27 december, 2019, i Journal of the American Chemical Society .