För att göra bränsleceller mer överkomliga har forskare ägnat decennier åt att leta efter billiga katalysatorer för att ersätta platina och andra dyra metaller.
Detta inkluderar att experimentera med olika kombinationer av tre rikliga och relativt billiga material:järn, kväve och kol. Resultaten har hittills varit ojämna. Forskare kan göra järn-kväve-kol-katalysatorn hållbar eller effektiv, men inte både och.
En ny studie ledd av University at Buffalo kan erbjuda en lösning. I tidskriften Nature Catalysis , rapporterar forskare hur tillsats av väte till tillverkningsprocessen skapar en stark och effektiv katalysator som närmar sig platinas prestanda.
Framstegen föreslår ett viktigt steg mot att hjälpa bränslecellstekniken att leva upp till sin potential som en föroreningsfri leverantör av el för bilar, lastbilar, tåg, flygplan och andra tunga fordon.
"I åratal har det vetenskapliga samfundet kämpat för att balansera denna kompromiss. Vi kan göra låga kostnader som är effektiva men försämras för lätt. Eller så har vi gjort dem mycket stabila, men deras prestanda kunde inte matcha platina. Med detta arbete, vi har tagit ett steg mot att lösa det här problemet", säger studiens motsvarande författare, Gang Wu, Ph.D., professor vid Institutionen för kemi- och biologisk teknik vid School of Engineering and Applied Sciences.
Arbetet bygger på tidigare forskning ledd av Wu som beskrev järn-kväve-kol-katalysatorer som, även om de var hållbara, kämpade för att påskynda viktiga kemiska reaktioner inom bränsleceller.
Den nya studien tog upp denna begränsning under en tillverkningsprocess som kallas pyrolys, som innebär att man använder extremt varma temperaturer för att kombinera material.
Under pyrolys band forskare fyra kväveatomer till järnet i en högtemperaturkammare. De bäddade sedan in detta material i några lager grafen, som är en seg, lätt och flexibel form av kol.
Vanligtvis sker denna process i en kammare som innehåller en inert gas, såsom argon. Men den här gången matade forskare väte in i kammaren för att skapa en blandning av 90 % argon och 10 % väte.
Som ett resultat kunde forskare kontrollera katalysatorns sammansättning mer exakt. Specifikt kunde de placera två olika järn-kväve-kol-föreningar (den ena innehöll 10 kolatomer, den andra innehöll 12 kolatomer) i positioner som stöder hållbarhet och effektivitet.
Den resulterande katalysatorn nådde den initiala bränslecellsprestanda långt över energidepartementets mål för 2025. Den visade sig också vara mer hållbar än de flesta järn-kväve-kol-katalysatorer och närmade sig en typisk lågplatinakatod som används för bränsleceller.
Mer information: Justering av den termiska aktiveringsatmosfären bryter avvägningen mellan aktivitet och stabilitet för Fe–N–C-syrereducerande bränslecellskatalysatorer. Naturkatalys (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01062-8
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av University at Buffalo
