211service.com
En katalysator for billigere brændselsceller
En ny katalysator baseret på jern virker såvel som platinbaserede katalysatorer til at accelerere de kemiske reaktioner inde i brintbrændselsceller. Fundet kan være med til at gøre brændselsceller til elbiler billigere og mere praktiske.
Katalysator opskrift: Carbon black, jernacetat og et rødt eller hvidt fyldmateriale bruges til at fremstille den endelige katalysator.
Brændselscelleforskere har ledt efter billigere, mere rigelige alternativer til platin, som koster mellem $1.000 og $2.000 pr. ounce og udvindes næsten udelukkende i kun to lande: Sydafrika og Rusland. En lovende katalysator, der bruger langt billigere materialer - jern, nitrogen og kulstof - har længe været kendt for at fremme de nødvendige reaktioner, men med hastigheder, der er alt for langsomme til at være praktiske.
Nu har forskere ved Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Quebec dramatisk øget ydeevnen af denne type jernbaserede katalysatorer. Deres materiale producerer 99 ampere pr. kubikcentimeter ved 0,8 volt, en nøglemåling af katalytisk aktivitet. Det er 35 gange bedre end den hidtil bedste ikke-ædelmetalkatalysator og tæt på Energiministeriets mål for brændselscellekatalysatorer: 130 ampere pr. kubikcentimeter. Det matcher også ydelsen af typiske platinkatalysatorer, siger Jean-Pol Dodelet , en professor i energi, materialer og telekommunikation ved INRS, der ledede arbejdet.
Forbedringen, rapporteret i det seneste nummer af tidsskriftet Videnskab , er ret overraskende, siger Radoslav Adzic , en senior kemiker ved Brookhaven National Laboratory i Upton, NY, som også udvikler katalysatorer til brændselsceller. Det nye materiale opfylder et benchmark for brintbrændselsceller sat for fem år siden, som vi troede, ingen nogensinde ville møde, tilføjer Hubert Gasteiger , en gæsteprofessor i maskinteknik ved MIT. For allerførste gang giver en ikke-ædelmetalkatalysator mening.
INRS-forskernes vigtigste indsigt var at finde en måde at øge antallet af aktive katalytiske steder i materialet - med flere steder for kemiske reaktioner, stiger den samlede hastighed af reaktionerne i materialet. I tidligere arbejde havde forskerne vist, at opvarmning af kønrøg (en pulverform af kulstof, der ligner grafit) til høje temperaturer i nærvær af ammoniak og jernacetat skabte huller i kulstoffet, der kun er et par atomer brede. Nitrogenatomer binder sig til modsatte sider af disse små huller, og en jernion bygger bro mellem disse atomer og danner et aktivt sted for katalyse.
For at øge antallet af disse steder brugte forskerne en kommercielt tilgængelig form for kulstof, der allerede har et stort antal tilsvarende smalle porer. At fylde disse porer med et nitrogen- og jernholdigt materiale og derefter opvarme blandingen resulterede i de meget forbedrede reaktionshastigheder.
Katalysatoren er designet til at fungere i proton exchange membrane (PEM) brændselsceller, en type brændselscelle, der foretrækkes af bilproducenter, fordi den fungerer ved relativt lave temperaturer og har høj effekttæthed - det vil sige, en relativt lille brændselscelle kan producere nok elektricitet til at drive en bil. PEM-brændselsceller bruger katalysatorer ved to elektroder. Den ene katalysator spalter brint, og den anden fremmer en reaktion, der kombinerer protoner og oxygen for at producere vand. Den anden reaktion er sværere at udføre: I konventionelle brændselsceller bruges platin i begge elektroder, men der skal 10 gange så meget til på den vandproducerende side. Den nye katalysator erstatter platin på den vandproducerende side og fjerner næsten al platin i brændselscellen.
For nylig er andre ikke-ædelmetalkatalysatorer blevet demonstreret i en anden type brændselscelle, kaldet en alkalisk celle, men disse virker muligvis ikke i det sure miljø i PEM-brændselsceller. Samtidig er mange forskere ved at finde måder at reducere mængden af platin på i stedet for at erstatte materialet helt. Dette kan gøre brændselsceller mere overkommelige på kort sigt, selvom der i sidste ende, hvis brændselsceller skal bruges bredt, vil der være behov for en ikke-ædelmetalkatalysator, siger Adzic.
Dodelet mener, at mens hans gruppe har løst problemet med at øge aktiviteten af katalysatoren, er der endnu to væsentlige hindringer tilbage, før det kan være praktisk i brændselsceller. For det første skal katalysatorens holdbarhed forbedres. Efter 100 timers test faldt reaktionshastighederne med det halve. For det andet, fordi katalysatoren kun kan arbejde så hurtigt, som reaktanterne leveres, skal transporten af ilt og protoner ind i materialet forbedres, noget Dodelet planlægger at overlade til brændselscelleingeniører. Adzic siger, at det første skridt i retning af at adressere materialernes holdbarhed vil være at studere katalysatoren nøje for bedre at forstå, hvordan den virker.