Forskare från Tohoku University har skapat ett tillförlitligt sätt att förutsäga prestandan hos en ny och lovande typ av katalysator. Deras genombrott kommer att påskynda utvecklingen av effektiva katalysatorer för både alkaliska och sura miljöer, och därmed spara tid och ansträngning i framtida ansträngningar för att skapa bättre bränsleceller.
Detaljer om deras forskning publicerades i tidskriften Chemical Science den 15 mars 2024.
Bränslecellsteknologi har länge utsetts som en lovande väg för ren energi, men utmaningar i katalysatoreffektivitet har hindrat dess utbredda användning.
Molekylära metall-kväve-kol (M-N-C)-katalysatorer har distinkta strukturella egenskaper och utmärkt elektrokatalytisk prestanda, särskilt för syrereduktionsreaktionen (ORR) i bränsleceller. De erbjuder ett kostnadseffektivt alternativ till platinabaserade katalysatorer.
En sådan variant av M–N–C-katalysatorer är metalldopat azaftalocyanin (AzPc). Dessa har unika strukturella egenskaper, kännetecknade av långsträckta funktionella grupper. När dessa katalysatorer placeras på ett kolsubstrat antar de tredimensionella former, ungefär som en dansare placerad på en scen. Denna formförändring påverkar hur väl de fungerar för ORR vid olika pH-nivåer.
Ändå är det en utmaning att översätta dessa fördelaktiga strukturella egenskaper till ökade prestanda, en utmaning som kräver betydande modellering, validering och experiment, vilket är resurskrävande.
"För att övervinna detta använde vi datorsimuleringar för att studera hur prestandan hos kolunderstödd Fe–AzPcs-katalysator för syrereduktionsreaktioner förändras med olika pH-nivåer, genom att titta på hur elektriska fält interagerar med pH och den omgivande funktionella gruppen", säger Hao Li, docent vid Tohoku Universitys Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) och motsvarande författare till artikeln.
I analysen av Fe–AzPcs prestanda i ORR, inkorporerade Li och hans kollegor stora molekylära strukturer med komplexa långkedjiga arrangemang, eller "dansmönster", med arrangemang av mer än 650 atomer.
Avgörande är att experimentdata avslöjade att den pH-fältkopplade mikrokinetiska modelleringen nära överensstämde med den observerade ORR-effektiviteten.
"Våra fynd tyder på att utvärdering av laddningsöverföringen som sker på Fe-platsen, där Fe-atomen vanligtvis förlorar cirka 1,3 elektroner, kan fungera som en användbar metod för att identifiera lämpliga omgivande funktionella grupper för ORR," tillägger Li. "Vi har i huvudsak skapat en direkt benchmarkanalys för den mikrokinetiska modellen för att identifiera effektiva M–N–C-katalysatorer för ORR över olika pH-förhållanden."
Mer information: Di Zhang et al, Benchmarking pH-fältkopplad mikrokinetisk modellering mot syrereduktion i storskaliga Fe-azaftalocyaninkatalysatorer, Chemical Science (2024). DOI:10.1039/D4SC00473F
Journalinformation: Kemisk vetenskap
Tillhandahålls av Tohoku University
