Det höga priset på platina är ett av problemen som bromsar en bredare användning av vätgasbränsleceller. Nu har forskare vid IMDEA Materials Institute utvecklat en katalysator som använder 75 procent mindre platina, men ändå kan leverera nästan samma prestanda som ren platina.
Hemligheten ligger inte bara i vilka material som används. Forskarna utsatte katalysatorn för en mycket liten mekanisk kompression, vilket förändrade dess struktur på atomnivå och gjorde den betydligt effektivare.
Resultaten kan på sikt bidra till billigare bränsleceller för vätgasdrivna fordon och andra energisystem.
Platina är effektivt – men dyrt
En vätgasbränslecell producerar elektricitet genom elektrokemiska reaktioner mellan väte och syre.
En av de långsammaste delarna av processen är den så kallade syrereduktionsreaktionen, ORR (oxygen reduction reaction), där syre reduceras och vatten bildas.
För att reaktionen ska ske tillräckligt snabbt används vanligtvis platina som katalysator.
Platina har två stora fördelar:
- mycket hög katalytisk aktivitet,
- god stabilitet under drift.
Problemet är priset.
Platina är ett dyrt och relativt sällsynt material, vilket gör katalysatorerna till en betydande kostnad i dagens bränsleceller.
Koppar ersätter stora delar av platinan
Forskarna utvecklade därför en legering bestående av koppar och platina, Cu₃Pt.
Det innebär i praktiken att tre fjärdedelar av metallen utgörs av koppar och bara en fjärdedel av platina.
Legeringen placerades som ett tunt skikt på ett underlag av nickel-titan, ett material som har formminnesegenskaper.
Det gav forskarna möjlighet att kontrollera den mekaniska belastningen på katalysatorn mycket noggrant.
Mindre än en procents kompression gjorde stor skillnad
Det avgörande steget var att komprimera katalysatorn något.
Forskarna använde en mekanisk kompression på mindre än 1 procent.
Det låter obetydligt, men på atomnivå förändrade kompressionen materialets elektroniska struktur och därmed hur effektivt katalysatorn kunde driva syrereduktionsreaktionen.
Tester genomfördes i en starkt sur miljö med ett pH-värde nära 1.
Resultaten var anmärkningsvärt nära dem för ren platina.
| Katalysator | Potential vid 1 mA/cm² |
|---|---|
| Komprimerad Cu₃Pt | 855 mV |
| Ren platina | 856 mV |
Skillnaden var alltså bara en millivolt, trots att den nya katalysatorn innehåller 75 procent mindre platina.
Att sträcka materialet gav motsatt effekt
Forskarna testade även vad som hände om katalysatorn utsattes för dragkraft i stället för kompression.
När legeringen sträcktes med 0,80 procent försämrades den katalytiska prestandan tydligt.
Experimentet visar därmed att det inte enbart handlar om att deformera materialet.
Riktningen på den mekaniska belastningen är avgörande.
Resultaten stämmer också överens med tidigare teoretiska förutsägelser om hur mekanisk belastning förändrar styrkan hos adsorption och desorption på katalysatorns yta.
Ytan blir rikare på platina
Forskarna upptäckte dessutom ytterligare en process som bidrar till katalysatorns höga prestanda.
Under den elektrokemiska reaktionen löses en del av kopparen på katalysatorns yta upp selektivt.
Kvar blir ett mycket tunt platinaberikat ytskikt, bara några nanometer tjockt.
Katalysatorn får därmed en intressant struktur: materialets inre innehåller stora mängder billigare koppar medan den yttersta ytan – där de viktiga kemiska reaktionerna sker – blir betydligt rikare på platina.
Det gör det möjligt att utnyttja den dyra metallen där den gör störst nytta.
Två effekter arbetar tillsammans
Den höga aktiviteten kommer alltså från en kombination av två processer:
- Mekanisk kompression förändrar materialets elektroniska egenskaper.
- Kemisk självorganisation skapar ett tunt platinaberikat lager på ytan.
Tillsammans gör dessa effekter att katalysatorn kan använda betydligt mindre platina utan att förlora motsvarande mängd prestanda.
Forskarna beskriver metoden som elastic strain engineering – ungefär elastisk töjnings- eller spänningsdesign – där mycket små mekaniska förändringar används för att styra ett materials egenskaper på atomnivå.
Kan sänka kostnaden för bränsleceller
Om tekniken går att skala upp kan den ekonomiska betydelsen bli stor.
Platina är den dyraste beståndsdelen i den här typen av katalysatorer. Att minska mängden med tre fjärdedelar utan att kraftigt försämra prestandan skulle därför kunna bidra till billigare bränsleceller.
Det skulle i sin tur kunna göra vätgasteknik mer konkurrenskraftig inom områden där bränsleceller diskuteras som alternativ till batterier och fossila bränslen.
Två stora problem återstår
Forskarna betonar samtidigt att den nya katalysatorn ännu inte är redo för kommersiella bränsleceller.
Två viktiga frågor återstår:
Skalbarheten: Det måste gå att tillverka katalysatorn i stora mängder till en rimlig kostnad.
Stabiliteten: Den mekaniska kompression som ger materialet dess höga aktivitet måste kunna bibehållas under långvarig drift.
Det senare är särskilt viktigt. Om materialet gradvis förlorar sin kompression kan också den katalytiska fördelen försvinna.
Små förändringar på atomnivå kan ge stora besparingar
Studien visar hur mycket ett materials egenskaper kan förändras utan att dess grundläggande kemiska sammansättning behöver göras om.
Genom att komprimera en koppar–platina-legering med mindre än en procent lyckades forskarna nå 855 millivolt jämfört med 856 millivolt för ren platina, samtidigt som platinainnehållet minskades med 75 procent.
Det betyder ännu inte att billiga vätgasbränsleceller står runt hörnet. Men om forskarna kan visa att katalysatorn är stabil och möjlig att massproducera kan metoden bli ett intressant sätt att angripa ett av bränslecellsteknikens stora kostnadsproblem: beroendet av dyr platina.
Mer information
J. Redondo m.fl., Elastiska töjningars inverkan på den katalytiska aktiviteten hos Cu3Pt-tunnfilmer vid syrereduktionsreaktionen, Electrochimica Acta (2026). DOI: 10.1016/j.electacta.2026.149539