En billigare vätekatalysator

Platina spelar normalt en avgörande roll i bränsleceller och i produktionen av väte. Nu har en grupp forskare visat hur man får samma typ av reaktivitet med en metall-nickel-som är tusen gånger billigare än platina. Gruppen – forskare Vincent Artero , och Alan Le Goff och Serge Palacin på Centralkommissionen för kärnenergi nära Paris-använda nickelbaserade föreningar kemiskt bundna till kolnanorör.

Bränslecellskatalysator: Ett nytt katalytiskt material tillverkat av nickel (visas här fäst vid en experimentell kolnanorörelektrod) skulle kunna sänka kostnaderna för bränsleceller och väteproduktion.

Platina används vanligtvis i vattenklyvningsprocessen eftersom det är en så effektiv katalysator. Problemet med platina är att det är en mycket dyr metall och det finns inte tillräckligt med den på jorden för att upprätthålla en världsomspännande väteekonomi, säger Artero.

Elektroder tillverkade med den nya katalysatorn skulle vara cirka 20 procent billigare än de som är gjorda av platina, säger Artero. Med tanke på att platina utgör ungefär en tredjedel av kostnaden för bränsleceller kan detta ha en betydande inverkan på priset på bränslecellsteknik.

De nya föreningarna är baserade på en typ av enzym som kallas hydrogenas. Normalt finns i bakterier och alger som lever under anaeroba (eller syrefria) förhållanden, dessa enzymer används av dessa organismer som en katalysator för att metabolisera väte, säger Artero. De använder exakt samma process som bränsleceller för att hålla sig vid liv, säger han.

Under de senaste åren har forskare visat stort intresse för att använda molekylär kemi för att försöka efterlikna strukturen hos dessa naturliga katalysatorer. Eftersom de aktiva komponenterna i dessa molekylära föreningar är lika reaktiva som platina men istället består av nickel eller järn, lovar de att bli mycket billigare att använda.

Men fram till nu, syntetiska vätemolekyler – som de som utvecklats av Daniel DuBois vid Pacific Northern National Laboratories i Richland, WA – har endast visats i lösningsform. För att vara praktiskt användbar måste molekylerna vara bundna till en elektrod, snarare än att flyta i en vätska.

Genom att modifiera de nickelbaserade aktiva komponenterna i dessa föreningar hittade Artero och kollegor ett sätt att fästa molekylerna på kolnanorör. Nanorören har två fördelar - de är mycket bra elektronledare och de har en mycket hög specifik yta, säger Artero. Det betyder att det är möjligt att ladda en hel del av det katalytiska materialet på dess yta, säger han.

I tester som rapporterats i veckans nummer av tidskriften Vetenskap visade gruppen att denna modifierade katalysator var effektiv och stabil för att utföra reaktionen upprepade gånger.

Detta arbete representerar ett betydande framsteg i tillämpningen av molekylära elektrokatalysatorer för väteproduktion och oxidation, säger DuBois. Det visar, säger han, att dessa mycket reaktiva molekylära katalysatorer kan fungera effektivt under förhållanden som kan vara praktiska för elektrolysörer och bränsleceller. Detta är ett viktigt steg mot att flytta bioinspirerade katalysatorer från idé till praktik.

Nate Lewis , professor i kemi vid Caltech, håller med. Det här är ett viktigt steg mot utvecklingen av ett komplett system som delar vatten från solljus, säger han. Men Lewis noterar att det bara är en pusselbit att hitta ett sätt att fästa katalysatorerna på en yta så att de kan användas i en elektrod.

John Turner , en forskare inom energivetenskap vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, CO, tillägger att den största barriären för väteproduktion från vatten och bränsleceller för transport inte är vätekatalys, utan syrekatalys.

Nickelbaserade katalysatorer används redan i stora multi-megawatt kommersiella elektrolysatorer, men dessa katalysatorer är mycket mindre effektiva än platina och tenderar att vara mycket stora - vanligtvis runt 10 kvadratmeter.

Turner noterar att strömmen som produceras av Arteros katalysator fortfarande är storleksordningar mindre än vad som kan uppnås med platina. Artero säger att detta ganska enkelt kan åtgärdas. Han noterar att nanorören som användes i hans teams experiment endast fick en låg belastning av det katalytiska materialet. Att öka detta borde öka strömmen: Det är ett tomrum som vi kan fylla, säger han.

Dölj