Med atmosfärisk koldioxid på rekordnivåer blir sökandet efter ren energialternativ till användningen av fossila bränslen allt mer brådskande.

Ett hinder som forskare möter är att nuvarande bränslecellsteknologi är beroende av användningen av dyra metallkatalysatorer som platina för att omvandla väte till energi; dock har ett team från University of Virginia's College och Graduate School of Arts &Sciences identifierat en organisk molekyl som kan vara ett effektivt och mindre kostsamt substitut för konventionella metallkatalysatorer.

Bränslecellerna som gör elfordon och industri- och bostadsgeneratorer möjliga och som behövs för att lagra energi som genereras av vinden eller solen använder metaller som platina för att utlösa den kemiska reaktionen som delar bränslekällor som vätgas till protoner och elektroner som sedan utnyttjas som el.

Hittills har organiska substitut för katalysatorer av sällsynta metaller inte ansetts vara praktiska eftersom katalysprocessen gör att de bryts ner till beståndsdelar som inte längre är användbara. I en artikel publicerad i Journal of the American Chemical Society , dock docenten i kemi Charles Machan och Michael Hilinski, tillsammans med Ph.D. studenterna Emma Cook och Anna Davis, identifierar en organisk molekyl bestående av kol, väte, kväve och fluor som har potential att vara ett praktiskt substitut.

Molekylen kan inte bara initiera reduktionen av syre – reaktionen som sker inuti bränslecellen – sa Machan; den kan fortsätta att reagera med reaktionsprodukterna och sedan återgå till sitt ursprungliga tillstånd.

"Dessa molekyler är stabila under förhållanden där de flesta molekyler bryts ned, och de fortsätter att uppnå aktivitet som matchar nivån av övergångsmetallkatalysatorer," sa Machan.

Fyndet presenterar ett betydande steg framåt i sökandet efter effektiva bränsleceller som använder material som är mer hållbara och billigare att producera och kan resultera i utvecklingen av nästa generations bränsleceller inom de närmaste fem till tio åren, men teamets fynd är bara början.

"Denna molekyl i sig kanske inte gör det till en bränslecell," sa Machan. "Vad detta fynd säger är att det kan finnas kolbaserade katalytiska material, och om du modifierar de med vissa kemiska grupper kan du hoppas att förvandla dem till fantastiska katalysatorer för syrereduktionsreaktionen. Det slutliga målet är att integrera de egenskaper som gör denna molekyl så stabil till ett bulkmaterial för att ersätta användningen av platina."

Hilinski, vars forskargrupp fokuserar på organisk kemi, betonade vikten av forskargruppens tvärvetenskapliga karaktär. "Denna molekyl som vi använder som katalysator har en historia i mitt laboratorium, men vi har alltid forskat om dess användning i kemiska reaktioner som utförs på mycket större, kolinnehållande molekyler - som de aktiva ingredienserna i mediciner," sa Hilinski.

"Utan Charlie Machans expertis tror jag inte att vi skulle ha skapat kopplingen till bränslecellskemi."

Upptäckten kan också få konsekvenser för den industriella produktionen av väteperoxid, en hushållsprodukt som också används vid tillverkning av papper och rening av avloppsvatten.

"Processen att göra väteperoxid är miljöovänlig och mycket energikrävande," sa Machan. "Det kräver högtemperatur-ångreformering av metan för att frigöra vätet som används för att generera det."

Hans teams resultat kan också förbättra den katalytiska komponenten i den processen, vilket kan ha positiva effekter på både industrin och miljön såväl som på vattenreningstekniken.

Hilinski påpekade också att upptäckten och samarbetet som ledde till det kan ha effekter som sträcker sig långt bortom energilagring. "Stor bild, en av de mest spännande sakerna med den här studien är att vi genom att elektrifiera katalysatorn har förändrat hur den reagerar. Detta är något oväntat som också kan vara användbart för syntesen av läkemedel, vilket min forskargrupp är angelägen om att utforska."

Machan, vars forskargrupp fokuserar på molekylär elektrokemi, tillskriver också forskargruppens tvärvetenskapliga karaktär för upptäckten.

"Utan Mike Hilinskis grupps kunskap om att göra stabila organiska molekyler som kan genomgå den typ av reaktioner som krävs, hade arbetet inte varit möjligt. Denna unika, organiska molekyl gjorde det möjligt för oss att göra något som normalt bara övergångsmetaller kan göra." sa Machan.

Mer information: Emma N. Cook et al, Metal-Free Homogeneous O2 Reduction by an Iminium-Based Electrocatalyst, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c14549

Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society

Tillhandahålls av University of Virginia