Komórki paliwowe błony wymiennej protonów (PEMFC), często nazywane „bankami energii wodoru”, są urządzeniami do czystej energii, które generują elektryczność z wodoru i tlenu, przy czym jedynym produktem ubocznym jest woda. Charakteryzują się wysoką wydajnością, szybkim uruchomieniem i zerowymi emisjami, co sprawia, że mają duży potencjał w transporcie, elektronice przenośnej i generacji energii stacjonarnej. Niestety, aktualnie PEMFC opierają się głównie na rzadkim i drogim platynie jako katalizatorze, co czyni ich powszechne zastosowanie niemożliwym.
Teraz jednak zespół chińskich naukowców opracował wysokowydajny katalizator na bazie żelaza do tych ogniw paliwowych, który potencjalnie zmniejszy zależność od platyny. Nowy projekt, opisany jako „wewnętrzna aktywacja, zewnętrzna ochrona”, umożliwia osiągnięcie rekordowej wydajności i długotrwałej trwałości.
Wyniki zostały opublikowane w Nature.
Tradycyjne katalizatory Fe/N-C zazwyczaj opierają się na zewnętrznej powierzchni grafenu lub nośników węglowych, co ogranicza ekspozycję aktywnych miejsc i utrudnia ich praktyczne zastosowanie. Ogólnie PEMFC były również hamowane przez zbyt silne wiązanie z pośrednikami tlenu, słabą kinetykę reakcji i podatność na reakcje Fentona w środowiskach utleniających (np. H2O2 i ·OH), co prowadzi do wypłukiwania metali i degradacji wydajności.
Aby poradzić sobie z tymi wyzwaniami, zespół badawczy pod kierownictwem prof. Dana Wanga (obecnie na Uniwersytecie w Shenzhen) i prof. ZHANG Suojianga z Instytutu Inżynierii Procesowej Chińskiej Akademii Nauk opracował wewnętrzny katalizator z pojedynczym atomem żelaza na pochylonej powierzchni (CS Fe/N-C) z unikalną strukturą nano składa się wielu otoczek, gdzie atomy Fe skupiają się na wewnętrznych warstwach w wysokiej gęstości.
Ten katalizator składa się z licznych nano HoMS rozproszonych na warstwach 2D węgla, z miejscami pojedynczego atomu żelaza głównie osadzonymi w wewnętrznej pochylonej powierzchni nano HoMS. Zewnętrzna zgrafizowana warstwa węglowa nano HoMS nie tylko skutecznie osłabia siłę wiązania pośredników reakcji utleniania, ale także zmniejsza szybkość produkcji rodników hydroksylowych, tworząc charakterystyczne mikrośrodowisko „wewnętrznej aktywacji, zewnętrznej ochrony”. Katalizator Fe/N-C zapewnia jedno z najlepszych osiągnięć wśród ogniw paliwowych bez metali z grupy platyny.
Spektroskopia absorpcji promieniowania X synchrotronowego wykazała, że te wewnętrzne atomy Fe występują głównie w stanie utlenienia +2 i strukturze koordynacji FeN4C10. Spektroskopia Mössbauera dodatkowo potwierdziła, że 57,9% miejsc Fe znajduje się w kataltycznie aktywnym stanowisku niskospinowym D1.
Obliczenia teoretyczne wykazały, że samo zwiększenie krzywizny wzmacnia wiązanie pośredników i utrudnia desorpcję, zmniejszając tym samym aktywność katalizatora. Jednak wprowadzenie zewnętrznej warstwy azotowo-domieszkowanego węgla z niedoborami Fe powoduje znaczną odpychanie elektrostatyczną (0,63-1,55 eV) między atomami azotu zewnętrznej warstwy a atomami tlenu pochłanymi pośredników na wewnętrznej warstwie. To oddziaływanie osłabia siłę wiązania, łamie liniową zależność między ΔG*OH, ΔG*O a ΔG*OOH, i znacząco poprawia wydajność katalizatora.
Zdaniem badaczy, katalizator osiągnął nadpotencjał redukcji tlenu tak niski jak 0,34 V, co jest dużo lepsze niż w przypadku struktury płaskiej. Dodatkowo, zahamował tworzenie nadtlenku wodoru, poprawił selektywność i trwałość. Ponadto, dostarczył rekordową gęstość mocy wynoszącą 0,75 W cm-2 pod 1,0 bar H2-powietrze z 86% zachowaniem aktywności po ponad 300 godzinach ciągłej pracy.
Ta praca ustanawia nowy typ CS Fe/N-C dla wysoce aktywnej i trwałej katalizy redukcji tlenu w ogniwach paliwowych. Zgrafizowana zewnętrzna warstwa N-C efektywnie osłabia siłę wiązania pośredników tlenu i tłumi wytwarzanie ·OH, poprawiając zarówno aktywność, jak i stabilność. Otwiera to nowy paradygmat rozwoju katalizatorów wysokiej wydajności dla elektrokatalizatorów następnej generacji.
