«Что делает это исследование особенно важным, так это то, что оно улучшает наше понимание того, почему именно эти альтернативные катализаторы активны», — сказал Петр Зеленай, руководитель проекта в Национальной лаборатории Лос-Аламоса. «Мы продвигались вперед в этой области, но без понимания источников деятельности; без структурных и функциональных представлений, дальнейший прогресс был бы очень трудным».Основываясь на предыдущих исследованиях, команда под руководством Лос-Аламоса синтезировала катализаторы, содержащие недорогие альтернативы платине, которые по своим характеристикам сопоставимы со стандартными катализаторами топливных элементов с МПГ, используемыми в транспортных средствах. Используя сложную микроскопию в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), исследователи смогли напрямую наблюдать одноатомные активные центры в новом материале, где происходит катализ, что дало уникальное понимание потенциала эффективности материала, не содержащего МПГ.Платина способствует как электрокаталитическому окислению водородного топлива на аноде, так и электрокаталитическому восстановлению кислорода из воздуха на катоде, производя полезную электроэнергию.
Поиск жизнеспособной и недорогой альтернативы катализаторам, не содержащим МПГ, становится все более и более возможным, но понимание того, где именно и как происходит катализ в этих новых материалах, было давней проблемой. Это правда, отметил Зеленай, особенно в катоде топливного элемента, где происходит относительно медленная реакция восстановления кислорода, или ORR, которая требует значительной «загрузки» платины.
Новый материал, изученный в этом исследовании, представляет собой электрокатализатор железо-азот-углерод (Fe-N-C), синтезированный с двумя предшественниками азота, которые развивают иерархическую структуру пор, чтобы подвергать большую часть углеродных поверхностей воздействию кислорода. Его характеристики топливных элементов приближаются к характеристикам платиновых катализаторов, что является значительным достижением, что подтверждается характеристиками испытательного стенда топливных элементов.Благодаря использованию сканирующего просвечивающего электронного микроскопа ORNL с коррекцией аберраций и спектроскопии потерь энергии электронов исследователи ORNL смогли провести первое прямое наблюдение часто предлагаемого активного центра ORN, FeN4, на атомном уровне.
«Благодаря этим характеристикам и атомарной визуализации реакционных центров мы сокращаем пробел в замене платины на высокоэффективный катализатор, готовый к расширению для потенциального применения в топливных элементах для автомобильных приложений», — сказал Каррен Мор, специалист по микроскопии ORNL. руководитель группы.Кроме того, высокая активность катализаторов Fe-N-C и структура активного центра FeN4 была предсказана компьютерным моделированием, проведенным в Лос-Аламосе, как и возможный путь реакции.«В этой статье мы связываем результаты моделирования и микроскопии с электрохимически определенной высокой активностью катализатора реакции восстановления кислорода без МПГ», — сказал Зеленай.
Лос-Аламосские исследования топливных элементов расширяют возможности производства энергии в поддержку миссии лаборатории по укреплению энергетической безопасности страны.