En starkt sur miljö är idealisk för en snabb väteoxidationsreaktion – den reaktion som utgör kärnan i en bränslecell för ren energi.
Problemet är att de enda katalysatorer som inte löses upp i den starka syran i traditionella bränsleceller är ädelmetaller – platina, palladium och liknande – och dessa är mycket dyra.
Att bygga billigare alkaliska bränsleceller
För att utveckla bränslecellstekniken och sänka kostnaderna arbetar Abruña- och Muller-grupperna vid Cornell samt andra forskare vid Center for Alkaline-based Energy Solutions (CABES) med bränsleceller i alkaliska, eller icke-sura, miljöer. De har utvecklat en katalysator av icke-ädelmetall – nickel belagt med kol – som fungerar väl i alkaliska medier och upprätthåller en stark väteoxidationsreaktionsaktivitet.
I tester, i kombination med en katalysator för syre-reduktionsreaktionen baserad på icke-ädelmetall, som också utvecklats vid CABES, uppnår den en effekttäthet som överstiger det amerikanska energidepartementets (DOE) riktvärde. Detta utgör ett stort steg mot alkaliska bränsleceller som använder billiga basmetaller som nickel och kobolt i tillämpningar som generatorer, transport och alternativa elkällor i avlägsna områden.
”Detta har potential att vara omvälvande för bränslecellers tillämpning i vid bemärkelse, eftersom det innebär att man slipper behovet av ädelmetaller”, säger Héctor D. Abruña, Émile M. Chamot-professor vid Institutionen för kemi och kemisk biologi vid College of Arts and Sciences. ”Det har de prestandamått som man har letat efter i mycket billiga material.”
Abruña är medförfattare, tillsammans med David Muller, meddirektör för Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science och Samuel B. Eckert-professor i tillämpad och teknisk fysik vid Cornell Duffield College of Engineering, till artikeln ”Unveiling the sensitivity and significance of Ni oxidation state for alkaline hydrogen oxidation electrocatalysis”, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences. Medförfattarna är Qihao Li, postdoktorand i Abruña-gruppen, och Schuyler Zixiao Shi, doktorand.
”Ett alkaliskt medium gör det möjligt att använda icke-ädelmetaller – nickel, järn, kobolt, mangan – som är 500 till 1 000 gånger billigare än ädelmetaller som platina och palladium, så att kostnadsfrågan blir irrelevant”, säger Abruña. ”Men det innebär att man måste utveckla katalysatorer som kan fungera i alkaliska medier, har hög prestanda och uppvisar långsiktig hållbarhet under drift.”
Den tröga väteoxidationsreaktionen i alkaliska medier har varit ett hinder för att eliminera katalysatorer av ädelmetallgrupper från bränsleceller, skrev forskarna. Nickel har visat sig lovande i en alkalisk miljö, men på egen hand oxiderar det mycket snabbt, vilket innebär att det slutar vara aktivt.
Hur kolbelagt nickel fungerar
I studien undersökte forskarna nickelkatalysatorernas tillstånd i detalj med hjälp av mikroskopiska och spektroskopiska tekniker. Expertis från Muller-gruppen spelade en nyckelroll i upptäckten att en metallisk nickelyta är avgörande för att effektivt katalysera väteoxidationsreaktionen. Bildandet av nickelhydroxid, vilket teoretiska beräkningar avslöjade, indikerade en stark växelverkan mellan nickelytan och grafen, vilket resulterade i ett tätt förseglat kolskal som skyddar nickelytan.
”Med det vi har utvecklat kan vi belägga nickel med ett kolskikt från grafen”, sade Abruña. ”Skiktet är mindre än ett par nanometer; tre till fyra atomer tjockt.”
Det är tillräckligt tunt för att elektroner ska kunna interagera och tunnla igenom för att genomföra väteoxidationsreaktionen, men tillräckligt tjockt för att förhindra oxidation av nickel.
Jämförande bilder från Mullers grupp visar nickel i atomupplösning under reaktionen, först utan det skyddande kolskiktet och sedan belagt med kol. Det belagda nickel hade syre endast på ytan men inte i massan, vilket visar på kolbeläggningens effektivitet.
Prestationsmilstolpar och nästa steg
Beviset på effektiviteten kom när forskarna testade cellens effekttäthet, som uppnådde 1 watt per kvadratcentimeter – en exceptionell prestation och en milstolpe, sade Abruña. Det överträffar DOE:s mål för ämnesbelastning av ädelmetaller i bränsleceller, vilket ger en prestanda som är jämförbar med bränsleceller med ädelmetaller.
Detta innebär att alkalisk bränslecellsteknik kan användas i stor skala eftersom kostnaden för katalysatorn, en viktig komponent i traditionella bränsleceller som väger några gram per enhet, inte längre är en faktor.
Nu måste arbete göras för att förbättra hållbarheten hos alkaliska bränsleceller. DOE:s stabilitetsmått för bränsleceller är 15 000 driftstimmar. ”Vi ligger på cirka 2 000, vilket visserligen inte är 15 000, men ligger inom räckhåll”, sade Abruña. Tekniska förändringar kommer att utjämna skillnaden, men den grundläggande kemin för denna reaktion är på plats.
I framtiden kommer denna teknik att vara användbar i fordonsapplikationer, sade Abruña. På kortare sikt kan den användas i stationära och mobila generatorer samt decentraliserade elsystem.
Publikationsuppgifter
Qihao Li et al, Unveiling the sensitivity and significance of the Ni oxidation state for alkaline hydrogen oxidation electrocatalysis, Proceedings of the National Academy of Sciences (2026). DOI: 10.1073/pnas.2534305123
