Kredit:Alyssa Stone/Northeastern University
Vätgasbränsleceller lovar mycket som hållbara och miljövänliga energikällor för att driva transporter på land, i luften och till sjöss. Men traditionella katalysatorer som används för att driva kemiska reaktioner i vätebränsleceller är för dyra och ineffektiva för att motivera en storskalig kommersiell övergång bort från befintlig teknik.
I ny tvärvetenskaplig forskning publicerad i ACS Catalysis , nordöstra forskare har identifierat en ny klass av katalysatorer som, på grund av sin speciella natur av icke-ädelmetall, skulle kunna ersätta den platinabaserade standarden som har hindrat väte från att avancera i bränslesektorn.
"Vi går snabbt över till elektriska transportsätt, och som jag ser det är batterier bara en övergångsfas", säger Sanjeev Mukerjee, en framstående professor i kemi och kemisk biologi vid Northeastern, som är medförfattare till studien. "Det är inte det ultimata svaret på att ersätta fossila bränslen."
Det är i väte, eller "vätebärare" - större molekyler där väte bara är en del - som svaret ligger, säger han. Det vanligaste grundämnet i universum, väte, fungerar som en energibärare och kan separeras från vatten, fossila bränslen eller biomassa och utnyttjas som bränsle. Vätebränsleceller omvandlar väte till elektricitet; och till skillnad från förbränningsmotorn, som producerar giftiga och cancerframkallande kemiska biprodukter, producerar vätebränsleceller bara vatten - faktiskt dricksvatten - som ett resultat av den kemiska reaktionen.
"Den största flaskhalsen just nu är en:infrastruktur för bränslet, det vill säga väte eller en vätebärare; och nummer två är de höga kostnaderna för katalysatorer, eftersom den nuvarande toppmoderna kräver ädelmetaller", säger Mukerjee . "Så det finns dubbla ansträngningar för att både sänka ädelmetallbelastningen och hitta mer hållbara katalysatorer med hjälp av element som är mycket rikligt på jorden."
Katalysatorer används i vätebränsleceller för att påskynda energiomvandlingsprocessen, kallad syrereduktionsreaktionen. En hållbar katalysator är en som är gjord av "jordnära material" och en som, när syre införs i den kemiska reaktionen, inte producerar kol, säger Arun Bansil, universitetsprofessor i fysik vid Northeastern och medförfattare till studie.
Som det hänvisar har nordöstra forskare tittat på en specifik klass av katalysatorer, nämligen så kallade "kvävekoordinerade järnkatalysatorer", som potentiellt hållbara kandidater. En kvävekoordinerad järnkatalysator definieras molekylärt som en järnatom omgiven av fyra kväveatomer. Kväveatomerna kallas "ligander" eller molekyler som binder till en central metallatom för att bilda ett större komplex.
"Det här är en välkänd struktur", säger Bansil. "Vad vi har visat mycket avgörande i den här artikeln är att genom att lägga till en femte ligand - det vill säga fyra kväveatomer plus ytterligare en - kan det leda till en mycket mer stabil och robust elektrokatalysator, och därigenom öppna upp ett nytt paradigm eller väg för det rationella design av denna klass av katalysatorer för applikationer för bränsleceller."
Bansil säger att den femte liganden också förbättrar katalysatorns hållbarhet. The reason, he says, is "it appears that this fifth ligand manages to keep the iron in the plane of the iron-nitrogen when oxygen is added into this structure."
If the fifth ligand is not there, Bansil says, the iron is dislodged from the plane of the iron-nitrogen in many of these complexes when the oxygen is put in, thereby making the catalyst "less durable."
Researchers used X-ray emission spectroscopy and Mössbauer spectroscopy, techniques used in computational chemistry, to observe these effects.
"It's not enough to just know that something seems to be working better—it's important to know why it is working better," he says. "Because then we are in a position to develop improved materials through a rational design process."
Northeastern staff scientist Qingying Jia and Bernardo Barbiellini, a computational and theoretical physicist at the Lappeenranta University of Technology, who is currently visiting Northeastern, participated in the research.
The advancement represents several "firsts" in the field, Mukerjee says.
"The computational approach has helped us identify the catalytic sites as they evolve during preparation, and it also helped provide a picture of which of these [catalysts] are more stable," he says. + Utforska vidare
