Forscher der Cornell University haben herausgefunden, dass eine mit Stickstoff dotierte, kohlenstoffbeschichtete Nickelanode eine wesentliche Reaktion in Wasserstoff-Brennstoffzellen zu einem Bruchteil der Kosten der derzeit verwendeten Edelmetalle katalysieren kann.
Die neue Entdeckung könnte den weit verbreiteten Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen beschleunigen, die als effiziente, saubere Energiequellen für Fahrzeuge und andere Anwendungen vielversprechend sind.
Es ist eine von einer Reihe von Entdeckungen für das Labor von Héctor D. Abruña bei seiner laufenden Suche nach aktiven, kostengünstigen und langlebigen Katalysatoren für den Einsatz in alkalischen Brennstoffzellen.
„Diese Erkenntnis macht Fortschritte in Richtung der Verwendung effizienter, sauberer Wasserstoff-Brennstoffzellen anstelle von fossilen Brennstoffen“, sagte Abruña, Emile M. Chamot-Professor in der Abteilung für Chemie und chemische Biologie des College of Arts and Sciences.
Die Ergebnisse wurden am 21. März in „A Completely Precious-Metal-Free Alkaline Fuel Cell With Enhanced Performance Using a Carbon-Coated Nickel Anode“ veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.
Teure Edelmetalle wie Platin werden derzeit in Wasserstoff-Brennstoffzellen benötigt, um die Reaktionen, die sie zur Stromerzeugung einsetzen, effizient zu katalysieren. Obwohl alkalische Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (APEMFCs) die Verwendung von Nichtedelmetall-Elektrokatalysatoren ermöglichen, fehlt ihnen die notwendige Leistung und Haltbarkeit, um edelmetallbasierte Systeme zu ersetzen.
Eine Brennstoffzelle erzeugt Strom durch die Wasserstoffoxidationsreaktion (HOR) und eine Sauerstoffreduktionsreaktion (OOR). Insbesondere Platin ist ein Modellkatalysator für beide Reaktionen, da es sie effizient katalysiert und in der sauren Umgebung einer PEM-Brennstoffzelle haltbar ist, sagte Abruña.
Aber was ist mit anderen Materialien?
Jüngste Experimente mit Nichtedelmetall-HOR-Elektrokatalysatoren zielten darauf ab, zwei große Herausforderungen zu überwinden, schrieben die Forscher: geringe intrinsische Aktivität aufgrund einer zu starken Wasserstoffbindungsenergie und schlechte Haltbarkeit aufgrund schneller Passivierung durch Metalloxidbildung.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, entwarfen die Forscher einen Elektrokatalysator auf Nickelbasis mit einer 2-Nanometer-Hülle aus stickstoffdotiertem Kohlenstoff.
Ihre Wasserstoff-Brennstoffzelle hat einen Anodenkatalysator (wo Wasserstoff oxidiert wird), der aus einem massiven Nickelkern besteht, der von einer Kohlenstoffhülle umgeben ist. In Kombination mit einer Kobalt-Mangan-Kathode (bei der Sauerstoff reduziert wird) liefert die resultierende vollständig edelmetallfreie Wasserstoff-Brennstoffzelle mehr als 200 Milliwatt pro Quadratzentimeter.
Das Vorhandensein von Nickeloxidspezies auf der Oberfläche der Nickelelektrode verlangsamt die Wasserstoffoxidationsreaktion dramatisch, sagte Abruña. Die mit Stickstoff dotierte Kohlenstoffbeschichtung dient als Schutzschicht und verbessert die HOR-Kinetik, wodurch die Reaktion schneller und viel effizienter wird.
Darüber hinaus verhindert das Vorhandensein der Graphenbeschichtung auf der Nickelelektrode die Bildung von Nickeloxiden – was zu Elektroden mit dramatisch verlängerter Lebensdauer führt. Diese Elektroden sind auch viel toleranter gegenüber Kohlenmonoxid, das Platin schnell vergiftet.
„Die Verwendung dieser neuartigen Anode würde die Preise drastisch senken und den Einsatz alkalischer Brennstoffzellen in einer Vielzahl von Bereichen ermöglichen“, sagte Abruña.
Zu den Co-Autoren gehören Francis DiSalvo, der emeritierte Chemieprofessor von John A. Newman; Yao Yang, Ph.D. ’21; David Muller, Samuel B. Eckert Professor of Engineering am College of Engineering und Co-Direktor des Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, sowie Mitarbeiter der Wuhan University im Labor von Lin Zhuang und der University of Wisconsin, Madison mit Manos Mavrikakis.
Im Februar fanden Abruña und Kollegen, darunter DiSalvo, heraus, dass ein Kobaltnitrid-Katalysator bei der Katalyse der Sauerstoffreduktionsreaktion fast so effizient ist wie Platin.
Yunfei Gao et al, Eine vollständig edelmetallfreie alkalische Brennstoffzelle mit verbesserter Leistung unter Verwendung einer kohlenstoffbeschichteten Nickelanode, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2119883119