Bränslecellen testas i labbet. Kredit:Imperial College London
Vätebränsleceller omvandlar väte till elektricitet med vattenånga som den enda biprodukten, vilket gör dem till ett attraktivt grönt alternativ för bärbar kraft, särskilt för fordon.
Deras utbredda användning har emellertid delvis hämmats av kostnaden för en av de primära komponenterna. För att underlätta reaktionen som producerar elektriciteten förlitar sig bränslecellerna på en katalysator gjord av platina, vilket är dyrt och knappt.
Nu har ett europeiskt team ledd av Imperial College London-forskare skapat en katalysator som endast använder järn, kol och kväve – material som är billiga och lättillgängliga – och visat att den kan användas för att driva en bränslecell med hög effekt. Deras resultat publiceras idag i Nature Catalysis .
Ledande forskare professor Anthony Kucernak, från Institutionen för kemi vid Imperial, sa:"För närvarande är cirka 60 % av kostnaden för en enskild bränslecell platina för katalysatorn. För att göra bränsleceller till ett verkligt gångbart alternativ till fossila bränslen- motordrivna fordon, till exempel, vi måste få ner den kostnaden.
"Vår billigare katalysatordesign borde göra detta till verklighet och möjliggöra utbyggnad av betydligt fler förnybara energisystem som använder väte som bränsle, vilket i slutändan minskar utsläppen av växthusgaser och sätter världen på väg mot nettonollutsläpp."
Teamets innovation var att producera en katalysator där allt järn spreds som enstaka atomer i en elektriskt ledande kolmatris. Enatomsjärn har andra kemiska egenskaper än bulkjärn, där alla atomer är samlade, vilket gör det mer reaktivt.
Dessa egenskaper innebär att järnet ökar de reaktioner som behövs i bränslecellen och fungerar som ett bra substitut för platina. I laboratorietester visade teamet att en enatoms järnkatalysator har en prestanda som närmar sig den hos platinabaserade katalysatorer i ett riktigt bränslecellssystem.
Förutom att producera en billigare katalysator för bränsleceller, kunde den metod som teamet utvecklade för att skapa anpassas för andra katalysatorer för andra processer, såsom kemiska reaktioner med atmosfäriskt syre som reaktant istället för dyra kemiska oxidanter, och vid rening av avloppsvatten använda luft för att avlägsna skadliga föroreningar.
Första författaren Dr. Asad Mehmood, från Institutionen för kemi vid Imperial, sa:"Vi har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt för att göra en rad "enatoms"-katalysatorer som erbjuder en möjlighet att tillåta en rad nya kemiska och elektrokemiska processer. , använde vi en unik syntetisk metod, kallad transmetallering, för att undvika att bilda järnkluster under syntesen. Denna process borde vara till nytta för andra forskare som vill förbereda en liknande typ av katalysator."
Teamet samarbetade med den brittiska bränslecellskatalysatortillverkaren Johnson Matthey för att testa katalysatorn i lämpliga system och hoppas kunna skala upp sin nya katalysator så att den kan användas i kommersiella bränsleceller. Under tiden arbetar de med att förbättra stabiliteten hos katalysatorn, så den matchar platina både vad gäller hållbarhet och prestanda. + Utforska vidare
