Proton-exchange membrane (PEM) bränsleceller är en energilagringsteknik som hjälper till att sänka transporternas miljöavtryck. Dessa bränsleceller använder sig av en kemisk reaktion som kallas syrereduktion. Denna reaktion kräver en lågkostnadskatalysator för utbredda kommersiella tillämpningar. Kvävedopat kol är en sådan katalysator, men de kemiska detaljerna om hur kvävedopning fungerar är ganska kontroversiella. Sådan kunskap är viktig för att förbättra funktionen hos PEM-bränsleceller i framtida teknologier.

I en studie som nyligen publicerades i Angewandte Chemie International Edition, forskare från University of Tsukuba rapporterade kemiska detaljer för att optimera syrereduktionsreaktionen i PEM-bränsleceller under sura förhållanden. Denna konfiguration hjälper kolkatalysatorn att adsorbera syre på ett sätt som gör att bränslecellen kan fungera.

Kväve kan anta olika bindningskonfigurationer, såsom pyridin, i kvävedopade kolkatalysatorer. I åratal, Forskare har försökt fastställa vilka bindningskonfigurationer som är källan till elektrolytisk aktivitet i PEM-bränsleceller. Resultaten av sådana studier kan vara oklara om inte reaktionsmekanismerna klargörs med kontrollerad bindning och kristallografisk orientering av kväveatomen på katalysatorerna.

"Vi deponerade sju kvävehaltiga molekyler på en parakristallin kimrökskatalysator för att göra modellkatalysatorer med homogena strukturer, " säger huvudförfattaren professor Kotaro Takeyasu. "Vi fann att 1, 10-fenantrolin, med två pyridiniska kväveatomer vid fåtöljens kanter av katalysatorn, hade den högsta aktiviteten med hänvisning till strömtäthet."

Svavelsyra försurade kväveatomerna i katalysatorn helt. När en lämplig spänning appliceras under syremättade förhållanden, de protonerade kväveatomerna i katalysatorn reducerades. Detta berodde på den samtidiga syreadsorptionen, eftersom det inte fanns någon minskning av kvävemättade förhållanden.

"Densitetsfunktionella teoriberäkningar indikerar också att syreadsorption främjar reduktionen av helt protonerade kväveatomer, " förklarar senior författare, Professor Junji Nakamura. "Således, syre absorberas på katalysatorn och samtidigt, kväveatomerna reduceras för ytterligare katalytiska cykler."

Nuvarande PEM-bränsleceller använder platinakatalysatorer. Eftersom platina är en sällsynt metall är det inte ett realistiskt alternativ för kommersiella tillämpningar på lång sikt. Således, Platinakatalysatorer gör det inte möjligt för PEM-bränsleceller att bidra till en koldioxidsnål ekonomi. Resultaten som beskrivs här kommer att hjälpa forskare att förbättra prestandan hos kolbaserade katalysatorer för PEM-bränsleceller och förbättra hållbarheten för transporter.