211service.com
Een katalysator voor goedkopere brandstofcellen
Een nieuwe katalysator op basis van ijzer werkt net zo goed als op platina gebaseerde katalysatoren voor het versnellen van de chemische reacties in waterstofbrandstofcellen. De bevinding zou brandstofcellen voor elektrische auto's goedkoper en praktischer kunnen maken.
Katalysator recept: Roetzwart, ijzeracetaat en een rood of wit vulmateriaal worden gebruikt om de uiteindelijke katalysator te maken.
Brandstofcelonderzoekers zijn op zoek geweest naar goedkopere, meer overvloedige alternatieven voor platina, dat tussen de $ 1.000 en $ 2.000 per ounce kost en bijna uitsluitend in slechts twee landen wordt gewonnen: Zuid-Afrika en Rusland. Het is al lang bekend dat een veelbelovende katalysator die veel goedkopere materialen gebruikt - ijzer, stikstof en koolstof - de noodzakelijke reacties bevordert, maar met snelheden die veel te laag zijn om praktisch te zijn.
Nu hebben onderzoekers van het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Quebec de prestaties van dit type op ijzer gebaseerde katalysator drastisch verhoogd. Hun materiaal produceert 99 ampère per kubieke centimeter bij 0,8 volt, een belangrijke maatstaf voor katalytische activiteit. Dat is 35 keer beter dan de beste niet-edelmetaalkatalysator tot nu toe, en dicht bij het doel van het Department of Energy voor brandstofcelkatalysatoren: 130 ampère per kubieke centimeter. Het komt ook overeen met de prestaties van typische platinakatalysatoren, zegt Jean-Pol Dodelet , een professor in energie, materialen en telecommunicatie bij INRS die het werk leidde.
De verbetering, gerapporteerd in het laatste nummer van het tijdschrift Wetenschap , is nogal verrassend, zegt Radoslav Adzic , een senior chemicus bij Brookhaven National Laboratory in Upton, NY, die ook katalysatoren voor brandstofcellen ontwikkelt. Het nieuwe materiaal voldoet aan een vijf jaar geleden vastgestelde benchmark voor waterstofbrandstofcellen waarvan we dachten dat niemand ze ooit zou halen, voegt eraan toe Hubert Gasteiger , een gasthoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT. Voor de allereerste keer is een niet-edelmetaalkatalysator zinvol.
Het belangrijkste inzicht van de INRS-onderzoekers was het vinden van een manier om het aantal actieve katalytische plaatsen in het materiaal te vergroten - met meer plaatsen voor chemische reacties, neemt de algehele snelheid van de reacties in het materiaal toe. In eerder werk hadden de onderzoekers aangetoond dat het verhitten van roet (een poedervormige vorm van koolstof vergelijkbaar met grafiet) tot hoge temperaturen in de aanwezigheid van ammoniak en ijzeracetaat, gaten in de koolstof veroorzaakte die slechts een paar atomen breed zijn. Stikstofatomen binden aan weerszijden van deze kleine openingen en een ijzerion overbrugt deze atomen en vormt een actieve plaats voor katalyse.
Om het aantal van deze sites te vergroten, gebruikten de onderzoekers een in de handel verkrijgbare vorm van koolstof die al een groot aantal vergelijkbare smalle poriën heeft. Door deze poriën te vullen met een stikstof- en ijzerhoudend materiaal en vervolgens het mengsel op te warmen werden de reactiesnelheden sterk verbeterd.
De katalysator is ontworpen om te werken in brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan (PEM), een type brandstofcel dat de voorkeur geniet van autofabrikanten omdat het werkt bij relatief lage temperaturen en een hoge vermogensdichtheid heeft, dat wil zeggen dat een relatief kleine brandstofcel voldoende elektriciteit kan produceren om een auto voortstuwen. PEM-brandstofcellen gebruiken katalysatoren bij twee elektroden. De ene katalysator splitst waterstof en de andere bevordert een reactie die protonen en zuurstof combineert om water te produceren. De tweede reactie is moeilijker uit te voeren: in conventionele brandstofcellen wordt platina gebruikt in beide elektroden, maar er is 10 keer zoveel nodig aan de waterproducerende kant. De nieuwe katalysator vervangt platina aan de waterproducerende kant, waardoor bijna al het platina in de brandstofcel wordt geëlimineerd.
Onlangs zijn andere niet-edelmetaalkatalysatoren aangetoond in een ander type brandstofcel, een alkalische cel genaamd, maar deze werken mogelijk niet in de zure omgeving in PEM-brandstofcellen. Tegelijkertijd vinden veel onderzoekers manieren om de benodigde hoeveelheid platina te verminderen in plaats van het materiaal helemaal te vervangen. Dit zou brandstofcellen op korte termijn betaalbaarder kunnen maken, hoewel uiteindelijk, als brandstofcellen op grote schaal worden gebruikt, een niet-edelmetaalkatalysator nodig zal zijn, zegt Adzic.
Dodelet is van mening dat hoewel zijn groep het probleem van het verhogen van de activiteit van de katalysator heeft opgelost, er nog twee belangrijke hindernissen zijn voordat het praktisch kan worden in brandstofcellen. Ten eerste moet de duurzaamheid van de katalysator worden verbeterd. Na 100 uur testen daalden de reactiesnelheden met de helft. Ten tweede, omdat de katalysator slechts zo snel kan werken als de reactanten worden geleverd, moet het transport van zuurstof en protonen in het materiaal worden verbeterd, iets wat Dodelet van plan is over te laten aan brandstofcelingenieurs. Adzic zegt dat de eerste stap naar het aanpakken van de duurzaamheid van de materialen het nauwkeurig bestuderen van de katalysator zal zijn om beter te begrijpen hoe het werkt.