Mohammad Tavakkoli en zijn collega’s van de Aalto-universiteit hebben een nieuw katalysatormateriaal ontwikkeld om efficiënter energie te halen uit brandstofcellen die gebaseerd zijn op waterstof. Ze publiceerden hun bevindingen recent in ACS CATAL.

Brandstofcellen die goedkoop en efficiënt zijn, vormen de hoeksteen van een op waterstof (H2) gebaseerde economie. Waterstof is een van de meest veelbelovende schone en duurzame alternatieven voor fossiele brandstoffen en afhankelijk van goede katalysatoren. De ontwikkeling van efficiënte en goedkope katalysatoren is essentieel om van waterstofbrandstof een levensvatbaar alternatief te maken.
De zuurstofreductiereactie (ORR) en zuurstofevolutiereactie (OER) zijn de belangrijkste elektrochemische reacties die de efficiëntie van waterstofbrandstofcellen (voor het aandrijven van voertuigen en energieopwekking), waterelektrolyseurs (voor schone waterstofproductie) en hoge capaciteit beperken metaal-lucht batterijen.

Fysici en chemici in Aalto hebben samen met onderzoekers van CNRS France en Wenen in Oostenrijk een nieuwe katalysator ontwikkeld die deze reacties efficiënter aanstuurt dan andere bifunctionele katalysatoren die momenteel beschikbaar zijn. De onderzoekers ontdekten ook dat de elektrokatalytische activiteit van hun nieuwe katalysator aanzienlijk kan worden gewijzigd, afhankelijk van de keuze van het materiaal waarop de katalysator is afgezet.

“We willen traditionele expansieve en schaarse katalysatoren op basis van edele metalen zoals platina en iridium vervangen door zeer actieve en stabiele alternatieven die zijn samengesteld uit goedkope en aarde-overvloedige elementen zoals overgangsmetalen, koolstof en stikstof.” zegt dr. Mohammad Tavakkoli.

In samenwerking met CNRS produceerde het team zeer poreuze hybride grafeen-koolstof nanobuisjes en doopte het met enkele atomen van andere elementen waarvan bekend is dat ze goede katalysatoren zijn. Grafeen en koolstof nanobuisjes trekken vanwege hun uitstekende eigenschappen vergeleken met meer traditionele materialen een enorme belangstelling in zowel de academische wereld als de industrie. “We zijn een van de leidende teams ter wereld voor de schaalbare synthese van dubbelwandige koolstofnanobuizen. De innovatie hier was om ons fabricageproces aan te passen om deze unieke monsters voor te bereiden”, zegt Dr. Emmanuel Flahut, onderzoeksdirecteur bij CNRS.

Bij dit proces kunnen ze het grafeen ook dopen in de stikstof en/ of metallische (kobalt en molybdeen) om zo enkel-atoom katalysatoren (SAC’s) te produceren. In de katalyse-wetenschap heeft het nieuwe veld van SAC’s met geïsoleerde metaalatomen verspreid over vaste dragers brede aandacht getrokken vanwege de maximale efficiëntie van atoomgebruik en de unieke eigenschappen van SAC’s.

Katalysatoren worden gewoonlijk afgezet op een onderliggend substraat. De rol die dit substraat speelt bij de uiteindelijke reactiviteit van de katalysator wordt meestal genegeerd door onderzoekers, maar voor deze nieuwe katalysator speelden de onderzoekers het substraat een belangrijke rol in de efficiëntie ervan.

Tavakkoli ontdekte dat de poreuze structuur van hun materiaal toegang geeft tot actievere katalysatorplaatsen die bij de koppeling met het substraat zijn gevormd, dus ontwikkelden ze een nieuwe microscopie-analysemethode om te meten hoe deze interface kan worden gewijzigd om de meest effectieve katalysator te produceren. De wetenschappers hopen dat hun studie van substraateffecten op de katalytische activiteit van poreuze materialen een basis vormt voor het rationele ontwerp van hoogwaardige elektroden voor de elektrochemische energie-apparaten en richtlijnen biedt voor toekomstige studies.
Bron: https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00352

Leave comment

Your email address will not be published. Required fields are marked with *.

Loading cart ...