Rice Universitys forskare har tillverkat en hållbar katalysator för högpresterande bränsleceller genom att fästa enstaka ruteniumatomer till grafen.

Katalysatorer som driver syrereduktionsreaktionen som låter bränsleceller omvandla kemisk energi till elektricitet är vanligtvis gjorda av platina, som står upp mot den sura naturen hos cellens laddningsbärande elektrolyt. Men platina är dyrt, och forskare har sökt i årtionden efter en lämplig ersättare.

Kombinationen rutenium-grafen kanske passar, sa kemisten James Tour, vars labb utvecklade materialet tillsammans med sina kollegor på Rice och i Kina. I tester, dess prestanda matchade lätt den för traditionella platinabaserade legeringar och överlägsen järn och kvävedopad grafen, en annan utmanare.

En artikel om upptäckten visas i tidskriften American Chemical Society ACS Nano .

"Ruthenium är ofta en mycket aktiv katalysator när det fixeras mellan grupper av fyra kväveatomer, ändå är det en tiondel av kostnaden för traditionell platina, Tour sa. "Och eftersom vi använder enstaka atomära platser snarare än små partiklar, det finns inga begravda atomer som inte kan reagera. Alla atomer är tillgängliga för reaktion."

Sprider enstaka ruteniumatomer över ett ark grafen, den atomtjocka formen av kol, visade sig vara ganska okomplicerad, sa Tour. Det innebar att sprida grafenoxid i en lösning, ladda i en liten mängd rutenium och sedan frystorka den nya lösningen och förvandla den till ett skum.

Baka det i 750 grader Celsius (1, 382 grader Fahrenheit) i närvaro av kväve och vätgas reducerade grafenet och låste kväveatomerna till ytan, tillhandahåller platser där ruteniumatomer kunde binda.

Material gjorda vid högre och lägre temperaturer var inte lika bra, och de som gjordes vid rätt temperatur men utan vare sig rutenium eller kväve visade att kvaliteten på reaktionen berodde på närvaron av båda.

Materialet visade utmärkt tolerans mot metanolövergång och kolmonoxidförgiftning i surt medium, båda försämrar effektiviteten hos bränsleceller; sådan nedbrytning är ett bestående problem med traditionella platinabränsleceller.