STEM-avbildning i atomskala och EELS-spektroskopisk analys av kärnskal Ni@CNx elektrokatalysatorer. Kredit:Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI:10.1073/pnas.2119883119
En kvävedopad, kolbelagd nickelanod kan katalysera en väsentlig reaktion i vätebränsleceller till en bråkdel av kostnaden för de ädla metaller som för närvarande används, har forskare från Cornell University funnit.
Den nya upptäckten kan påskynda den utbredda användningen av vätebränsleceller, som lovar mycket som effektiva, rena energikällor för fordon och andra applikationer.
Det är en av en rad upptäckter för Héctor D. Abruña-labbet i deras pågående sökande efter aktiva, billiga, hållbara katalysatorer för användning i alkaliska bränsleceller.
"Detta fynd gör framsteg mot att använda effektiva, rena vätebränsleceller i stället för fossila bränslen", säger Abruña, Emile M. Chamot-professorn vid institutionen för kemi och kemisk biologi vid College of Arts and Sciences.
Resultaten publicerades den 21 mars i "A Completely Precious-Metal-Free Alkaline Fuel Cell With Enhanced Performance Using a Carbon-Coated Nickel Anode," i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Dyra ädelmetaller, som platina, krävs för närvarande i vätebränsleceller för att effektivt katalysera de reaktioner de använder för att producera el. Även om alkaliska polymerelektrolytmembranbränsleceller (APEMFC) möjliggör användning av elektrokatalysatorer av icke-ädelmetall, saknar de den nödvändiga prestanda och hållbarhet för att ersätta ädelmetallbaserade system.
En bränslecell producerar elektricitet genom väteoxidationsreaktionen (HOR) och en syrereduktionsreaktion (OOR). Platina, i synnerhet, är en modellkatalysator för båda reaktionerna eftersom det katalyserar dem effektivt och är hållbart i den sura miljön i en PEM-bränslecell, sa Abruña.
Men hur är det med andra material?
Nyligen genomförda experiment med HOR-elektrokatalysatorer av icke-ädelmetall syftade till att övervinna två stora utmaningar, skrev forskarna:låg inneboende aktivitet från för stark vätebindande energi och dålig hållbarhet på grund av snabb passivering från metalloxidbildning.
För att övervinna dessa utmaningar designade forskarna en nickelbaserad elektrokatalysator med ett 2-nanometer skal tillverkat av kvävedopat kol.
Deras vätebränslecell har en anod (där väte oxideras) katalysator som består av en fast nickelkärna omgiven av kolskalet. När den paras ihop med en kobolt-mangan-katod (där syre reduceras), producerar den resulterande helt ädelmetallfria vätebränslecellen mer än 200 milliwatt per kvadratcentimeter.
Närvaron av nickeloxidarter på ytan av nickelelektroden saktar ner väteoxidationsreaktionen dramatiskt, sa Abruña. Den kvävedopade kolbeläggningen fungerar som ett skyddsskikt och förbättrar HOR-kinetiken, vilket gör reaktionen snabbare och mycket mer effektiv.
Dessutom förhindrar närvaron av grafenbeläggningen på nickelelektroden bildningen av nickeloxider – vilket resulterar i elektroder med dramatiskt förbättrad livslängd. Dessa elektroder är också mycket mer toleranta mot kolmonoxid, som snabbt förgiftar platina.
"Användningen av denna nya anod skulle dramatiskt sänka priserna och möjliggöra användningen av alkaliska bränsleceller i en mängd olika områden," sa Abruña.
Medförfattare inkluderar Francis DiSalvo, John A. Newmans emeritusprofessor i kemi; Yao Yang, Ph.D. '21; David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik vid College of Engineering och meddirektör för Kavli Institute vid Cornell for Nanoscale Science, samt medarbetare från Wuhan University i laboratoriet i Lin Zhuang och University of Wisconsin, Madison med Manos Mavrikakis.
I februari fann Abruña och kollegor, inklusive DiSalvo, att en koboltnitridkatalysator är nästan lika effektiv som platina för att katalysera syrereduktionsreaktionen. + Utforska vidare
