En multi-institutionell forskargrupp ledd av materialforskare från Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har designat en mycket aktiv och hållbar katalysator som inte förlitar sig på dyr platina för att stimulera den nödvändiga kemiska reaktionen.

Den nya katalysatorn innehåller kobolt varvat med kväve och kol. Jämfört med en liknande strukturerad katalysator gjord av järn - en annan lovande, väl studerad platinaersättning, teamet fann att koboltkatalysatorn uppnådde en liknande reaktion men med fyra gånger så lång hållbarhet.

Teamets forskning, som visar lovande för bränsleceller inom transport, publicerades den 30 november, 2020 års nummer av Naturkatalys .

Söker en ersättare för dyr platina

Protonutbytesmembran - eller PEM - bränsleceller är vanligtvis tänkt att paras ihop med väte för flera tillämpningar inom olika sektorer, inklusive transport, stationär och reservkraft, metalltillverkning, och mer. Dessa mycket effektiva, anordningar för omvandling av ren energi kräver mycket aktiva katalysatorer för den kemiska reaktionen - syrereduktionsreaktionen, eller "livsblodet" som får en bränslecell att fungera effektivt.

Platinagruppens metaller fungerar som det mest produktiva katalysatormaterialet för PEM-bränsleceller, men de står för ungefär hälften av bränslecellskostnaden.

Så forskare studerar övergångsmetaller som järn som ett lovande alternativ till platina, men de har funnit att de snabbt bryts ned i den sura PEM-bränslecellsmiljön.

Skriv in kobolt, en övergångsmetall som är - relativt platina - billig och riklig. Tidigare studier har visat att kobolt är mycket mindre aktivt än järnbaserade katalysatorer.

"Vi visste att konfigurationen av kobolt med kväve och kol var nyckeln till hur effektivt katalysatorn reagerar och att densiteten på den aktiva platsen var avgörande för prestanda, " sa PNNL materialforskare Yuyan Shao, som ledde studien. "Vårt mål var att verkligen förbättra reaktionsaktiviteten hos koboltbaserade katalysatorer."

Fäktning av atomerna

Teamet immobiliserade koboltbaserade molekyler i mikroporerna i zeolitiska imidazolatstrukturer, som fungerade som skyddsstängsel för att minska koboltatomernas rörlighet och hindra dem från att klunga ihop sig. De använde sedan högtemperaturpyrolys för att omvandla atomerna till katalytiskt aktiva platser inom ramverket.

Inom denna struktur, de upptäckte att tätheten av de aktiva platserna ökade avsevärt, i sin tur ökar reaktionsaktiviteten. Detta, faktiskt, uppnått den högsta aktiviteten i bränsleceller som rapporterats för icke-järn, metallfria katalysatorer från platinagruppen hittills.

Teamet fann också att den koboltbaserade katalysatorn var mycket mer hållbar än den järnbaserade katalysatorn som syntetiserats med samma tillvägagångssätt. De upptäckte, för första gången, betydande skillnader i avmetallering, där metalljoner lakas ut ur katalysatorn och den katalysatorn sedan förlorar aktivitet. De fann också att syreradikaler från väteperoxid, en biprodukt av syrereduktion i bränsleceller, attackera katalysatorerna och orsaka prestandaförlust.

Hög aktivitet, större hållbarhet

"I slutet, vi kunde inte bara förbättra aktiviteten hos den koboltbaserade katalysatorn, men vi förbättrade hållbarheten avsevärt, ", sa Shao. "Vår ytterligare undersökning ledde till att vi upptäckte de mekanismer som vanligtvis bryter ned dessa typer av katalysatorer."