Effektivare helt organiska katalysatorer i bränsleceller

Organiska katalysatorer är ett genombrott i jakten på billiga och effektiva material för miljövänlig produktion av vätgas i bränsleceller. En ny studie av fysiker vid Umeå universitet, publicerad i ACS Nano, ger en större kunskap kring viktiga processer vid framställning av dessa katalysatorer.

Världens behov av energi och råvaror ökar stadigt och sökandet efter lättillgängliga och billiga material för energitillämpningar motiverar forskargrupper över hela världen. Bränsleceller baserade på exempelvis vätgas och syrgas kan omvandla den lagrade kemiska energin till elektrisk energi på ett miljövänligt sätt eftersom restprodukten endast består av vatten. För att denna omvandling skall ske effektivt innehåller bränslecellens elektroder olika former av katalysatorer.

Ett stort problem med dessa katalysatorer är att de i dagsläget framställs av olika legeringar av platina, ruthenium och andra ädelmetaller. Dessa ädelmetaller är inte bara extremt dyra, de är också sällsynta och besvärliga att utvinna. Drivkraften att hitta andra mer lättillgängliga katalysatorer är därför väldigt stor och sålunda fick en rapport publicerad i Science för cirka tre år sedan, att en helt organisk katalysator baserad på kvävedopade kolnanorör kunde katalysera spjälkningen av syre lika effektivt som platina, en enorm uppmärksamhet.

Sedan dess har forskningen på detta område varit intensiv, men många frågetecken har funnits rörande mekanismer och effektivitet kring de katalytiska processerna som sker kring de defekter där kväveatomer ersatt kolatomer i kolnanorören. Ett normalt "idealt" kolnanorör består endast av kolatomer, men i de flesta material finns i praktiken defekter. Det kan vara exempelvis att en atom saknas på en plats där den normalt sett borde finnas, eller att en kolatom ersatts med en främmande atom.

– I vårt fall har vi medvetet skapat defekter i kolnanorören genom att ersätta vissa av kolatomerna med kväveatomer. Det gör vi för att det skapar lokala centra kring dessa defekter som har en ökad elektrondensitet. Den ökade elektrondensiteten leder till de önskade katalytiska egenskaperna, säger Thomas Wågberg, docent vid institutionen för fysik.

Studien visar att den katalytiska effektiviteten är mycket större kring vissa typer av kvävedefekter än kring andra.

– Vi visar också hur man genom enkel värmebehandling kan omvandla ineffektiva kvävedefekter till högeffektiva defekter, säger Thomas Wågberg.

Liknande material som forskargruppen studerar har också hög potential att kunna katalysera andra processer som exempelvis den omvända processen att spjälka vatten till syrgas och vätgas, det som brukar benämnas artificiell fotosyntes.

Bakom studien ligger en forskargrupp vid institutionen för fysik ledd av docent Thomas Wågberg tillsammans med Tiva Sharifi, Dr Guangzhi Hu, och Dr Xueen Jia, med stöd bland annat från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, Vetenskapsrådet, Ångpanneföreningen och Kempestiftelsen.

Om publikationen:
Tiva Sharifi, Guangzhi Hu, Xueen Jia, and Thomas Wagberg, Formation of Active Sites for Oxygen Reduction Reactions by Transformation of Nitrogen Functionalities in Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes, ACS Nano DOI: 10.1021/nn302906r.
Publikation online:  http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/nn302906r

Referens i Science: K. Gong, F. Du, Z. Xia, M. Durstock, L. Dai, Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Arrays with High Electrocatalytic Activity for Oxygen Reduction, Science, 323, 760 (2009)

För mer information, kontakta gärna:
Thomas Wågberg, institutionen för fysik
Telefon: 090-786 59 93
E-post: Thomas.wagberg@physics.umu.se,

Högupplöst bild på organisk katalysator
Bildtext: Elektronmikroskopibild av ett kvävedopat kolnanorör (nedre delen) samt en simulerad yta på kolnanoröret med kväveatomer (blå sfärer) och kolatomer (grå sfärer). Ned mot ytan diffunderar syremolekyler (röda sfärer) och ut från ytan vattenmolekyler (två ljusgrå = väte och en röd=syre).