211service.com
En katalysator för billigare bränsleceller
En ny katalysator baserad på järn fungerar lika bra som platinabaserade katalysatorer för att påskynda de kemiska reaktionerna inuti vätebränsleceller. Fyndet kan bidra till att göra bränsleceller för elbilar billigare och mer praktiska.
Katalysatorrecept: Kolsvart, järnacetat och ett rött eller vitt fyllnadsmaterial används för att göra den slutliga katalysatorn.
Bränslecellsforskare har letat efter billigare, rikligare alternativ till platina, som kostar mellan 1 000 och 2 000 dollar per uns och som utvinns nästan uteslutande i bara två länder: Sydafrika och Ryssland. En lovande katalysator som använder mycket billigare material - järn, kväve och kol - har länge varit känd för att främja de nödvändiga reaktionerna, men med hastigheter som är alldeles för långsamma för att vara praktiska.
Nu har forskare vid Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Quebec dramatiskt ökat prestandan hos denna typ av järnbaserad katalysator. Deras material producerar 99 ampere per kubikcentimeter vid 0,8 volt, ett nyckelmått på katalytisk aktivitet. Det är 35 gånger bättre än den bästa oädelmetallkatalysatorn hittills, och nära Department of Energys mål för bränslecellskatalysatorer: 130 ampere per kubikcentimeter. Det matchar också prestandan hos typiska platinakatalysatorer, säger Jean-Pol Dodelet , en professor i energi, material och telekommunikation vid INRS som ledde arbetet.
Förbättringen, rapporterad i det senaste numret av tidskriften Vetenskap , är ganska överraskande, säger Radoslav Adzic , en senior kemist vid Brookhaven National Laboratory i Upton, NY, som också utvecklar katalysatorer för bränsleceller. Det nya materialet uppfyller ett riktmärke för vätebränsleceller som sattes för fem år sedan som vi trodde att ingen någonsin skulle träffa, tillägger Hubert Gasteiger , en gästprofessor i maskinteknik vid MIT. För allra första gången är en oädelmetallkatalysator vettig.
INRS-forskarnas nyckelinsikt var att hitta ett sätt att öka antalet aktiva katalytiska platser i materialet – med fler platser för kemiska reaktioner ökar den totala reaktionshastigheten i materialet. I tidigare arbeten hade forskarna visat att uppvärmning av kolsvart (en pulverform av kol som liknar grafit) till höga temperaturer i närvaro av ammoniak och järnacetat skapade luckor i kolet som bara är några atomer breda. Kväveatomer binder till motsatta sidor av dessa små luckor, och en järnjon överbryggar dessa atomer och bildar en aktiv plats för katalys.
För att öka antalet av dessa platser använde forskarna en kommersiellt tillgänglig form av kol som redan har ett stort antal liknande smala porer. Att fylla dessa porer med ett kväve- och järnhaltigt material och sedan värma upp blandningen resulterade i de mycket förbättrade reaktionshastigheterna.
Katalysatorn är designad för att fungera i protonutbytesmembran (PEM) bränsleceller, en typ av bränslecell som gynnas av biltillverkare eftersom den arbetar vid relativt låga temperaturer och har hög effekttäthet – det vill säga en relativt liten bränslecell kan producera tillräckligt med elektricitet för att driva en bil. PEM-bränsleceller använder katalysatorer vid två elektroder. En katalysator delar väte och den andra främjar en reaktion som kombinerar protoner och syre för att producera vatten. Den andra reaktionen är svårare att utföra: i konventionella bränsleceller används platina i båda elektroderna, men det behövs 10 gånger så mycket på den vattenproducerande sidan. Den nya katalysatorn ersätter platina på den vattenproducerande sidan och eliminerar nästan all platina i bränslecellen.
Nyligen har andra oädelmetallkatalysatorer visats i en annan typ av bränslecell, kallad en alkalisk cell, men dessa kanske inte fungerar i den sura miljön i PEM-bränsleceller. Samtidigt hittar många forskare sätt att minska mängden platina som behövs, snarare än att ersätta materialet helt och hållet. Detta kan göra bränsleceller mer överkomliga på kort sikt, även om så småningom, om bränsleceller ska användas brett, kommer en oädel metallkatalysator att behövas, säger Adzic.
Dodelet tror att medan hans grupp har löst problemet med att öka aktiviteten hos katalysatorn, återstår ytterligare två betydande hinder innan det kan vara praktiskt i bränsleceller. För det första måste katalysatorns hållbarhet förbättras. Efter 100 timmars testning minskade reaktionshastigheterna med hälften. För det andra, eftersom katalysatorn bara kan arbeta så snabbt som reaktanterna tillhandahålls, måste transporten av syre och protoner in i materialet förbättras, något Dodelet planerar att överlåta till bränslecellsingenjörer. Adzic säger att det första steget mot att ta itu med materialens hållbarhet kommer att vara att noggrant studera katalysatorn för att bättre förstå hur den fungerar.