Nowy katalizator żelazowy – alternatywa dla platyny w ogniwach paliwowych
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC), określane często jako „banki energii wodorowej”, przekształcają wodór i tlen w energię elektryczną, a produktem ubocznym jest jedynie woda. Mimo wysokiej sprawności i zerowej emisji, ich szerokie zastosowanie ogranicza kosztowna platyna wykorzystywana jako katalizator.
Chińskie badania: przełomowy katalizator z żelaza
Zespół naukowców z Chińskiej Akademii Nauk opracował wysokowydajny katalizator żelazowy, który może ograniczyć zależność PEMFC od platyny. Nowa konstrukcja, określana jako „wewnętrzna aktywacja, zewnętrzna ochrona”, przynosi rekordową efektywność i trwałość.
Tradycyjne katalizatory Fe/N-C mają ograniczoną dostępność aktywnych miejsc na powierzchni, co utrudnia ich praktyczne zastosowanie. Dodatkowo, są podatne na reakcje prowadzące do degradacji metalu i spadku wydajności.
Unikalna budowa katalizatora
Zespół pod kierownictwem prof. Dan Wang (Shenzhen University) i prof. ZHANG Suojiang (Instytut Inżynierii Procesowej Chińskiej Akademii Nauk) opracował katalizator pojedynczoatomowy Fe na zakrzywionych powierzchniach (CS Fe/N-C) o nanokonfekcjonowanej, wielopowłokowej strukturze (HoMS). Każda nanocząstka (ok. 10 nm × 4 nm) składa się z wielu powłok, gdzie atomy Fe są skoncentrowane wewnątrz.
Atomy żelaza osadzone są głównie na wewnętrznych, zakrzywionych powierzchniach, a zewnętrzna warstwa grafityzowanego węgla osłabia wiązanie produktów pośrednich reakcji tlenowych i ogranicza powstawanie szkodliwych rodników hydroksylowych.
Wyniki badań i wydajność
Badania spektroskopowe wykazały, iż 57,9% miejsc Fe znajduje się w katalitycznie aktywnym stanie niskospinowym D1. Obliczenia teoretyczne potwierdziły, iż specjalna konstrukcja katalizatora zwiększa wydajność i trwałość poprzez kontrolę oddziaływań elektrostatycznych i osłabienie wiązania tlenu.
Katalizator osiągnął nadpotencjał redukcji tlenu na poziomie 0,34 V, co jest lepszym wynikiem niż dla struktur płaskich. Dodatkowo ograniczał powstawanie nadtlenku wodoru, poprawiał selektywność i trwałość – po ponad 300 godzinach pracy zachował 86% aktywności, osiągając rekordową gęstość mocy 0,75 W/cm2 przy 1,0 bar H2-powietrze.
Znaczenie dla rozwoju technologii wodorowych
Nowy katalizator CS Fe/N-C stanowi istotny postęp w rozwoju wydajnych i trwałych ogniw paliwowych bez metali z grupy platynowców. Opracowana przez chińskich naukowców koncepcja może przyczynić się do upowszechnienia czystej energii wodorowej w transporcie, elektronice i energetyce stacjonarnej.
Źródło: ScienceDaily
