Järnkatalysatorer gör vätebränsleceller praktiska

Vätgasbränsleceller: Järnkatalysatorer som ett platinaalternativ

Vätgas skulle i teorin kunna vara det perfekta bränslet för en grön framtid: Det kan produceras från förnybar elektricitet, producerar inga föroreningar vid konsumtion och kräver endast vatten som material för sin produktion.

Att producera vätgas till en tillräckligt låg kostnad har dock varit en utmaning. Alternativa system, som samproduktion av sötvatten samtidigt, nya vätekatalysatorer som inte kräver ädelmetaller, eller fotokatalys, utforskas.

Ett annat steg som minskar vätgasens kommersiella lönsamhet är i förbrukningsstadiet. När den inte används i en förbränningsmotor (liknande en bränslemotor, med lägre verkningsgrad) används bränsleceller, vilka vanligtvis kräver dyr platina som katalysator.

Detta gör inte bara bränsleceller dyrare, utan det kan också hindra massanvändningen av väte som bränsle, eftersom platina och tillhörande metaller som palladium är mycket sällsynta på jorden, vilket gör en ökning av deras produktion svår att uppnå.

Lyckligtvis finns det alternativ på gång, tack vare arbetet av kinesiska forskare vid många av landets främsta forskningsinstitutioner: Chinese Academy of Sciences, Shenzhen University (Kina), Southeast University (Kina), Tsinghua University, Beijing University of Chemical Technology, City University of Hong Kong och Xiamen University.

De publicerade¹ upptäckten av en ny järnbaserad katalysator för bränsleceller i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Nature, under titeln ”Reduktion av surt syre med enatomiga Fe-katalysatorer på krökta bärare".

Hur bränsleceller fungerar

De delar av bränsleceller som genererar elektricitet från förbrukningen av vätgas är protonutbytesmembran (PEM).

Bränsleceller fungerar genom att katalysera omvandlingen av väte (H₂) till protoner (H+ joner) + elektroner, vilket skapar en elektrisk ström. Som tidigare nämnts är denna katalysator traditionellt platina, en dyr metall.

Källa: wikipedia

Istället har de kinesiska forskarna skapat en ny katalysatordesign, beskriven som "inre aktivering, yttre skydd", som förlitar sig på enkelt järn som katalysator.

Järnbaserade vätekatalysatorer

Utmaningar med järnkatalysatorer i bränsleceller

Idén att använda en järnkatalysator, som naturligt kan fånga syre (en tendens vi vanligtvis känner som "rost") och att knyta den till vätejonerna, är inte ny.

Men hittills har det hindrats av oönskade kemiska reaktioner, särskilt den starka adsorptionen av syresatta reaktionsmellanprodukter och avmetalliseringen av järnatomer. Så antingen "fastnar" järnatomerna med syrerika föreningar, eller så blir de oförmögna att fungera som katalysator.

För att stoppa dessa oönskade reaktioner skapade forskarna en unik nanostruktur för järnkatalysatorn.

Nanostrukturerade ihåliga järnkatalysatorer

Traditionella järnkatalysatorer förlitar sig på en yttre yta av grafen eller kolstöd, vilket begränsar mängden järn som är tillgängligt för de önskade reaktionerna med väte.

Istället användes metoden att skapa en inre krökt yta med ett katalysatorställe för järn med en enda atom.

Var och en av dessa platser är belägna i en nanobegränsad ihålig flerskalig struktur (HoMS). Dessa nano-HoMS är utspridda över och bundna till ett 2D-kollager, liknande grafen.

Källa: forskning Gate

De ihåliga nanopartiklarna är cirka 10 nm × 4 nm stora och består av flera skal där järnatomer är koncentrerade på de inre lagren med hög densitet. Synkrotronröntgenabsorptionsspektroskopi visade att dessa inre Fe-atomer är i ett katalytiskt aktivt tillstånd med en densitet på 57.9 %.

Källa: forskning Gate

Prestandaökningar med järnkatalysatorer

Svep för att skrolla →

Nanostrukturen försvagar bindningsstyrkan hos de syresatta reaktionsmellanprodukterna, vilket undanröjer en stor begränsning med järnbaserade katalysatorer.

Källa: forskning Gate

Det minskar också produktionshastigheten för hydroxylradikaler (•OH), en mycket reaktiv och skadlig molekyl som alltid är ett potentiellt problem i syre-väte-reaktioner.

Slutresultatet är en bränslecell som använder järnkatalysatorer och som är radikalt överlägsen andra konstruktioner, både vad gäller maximal effekttäthet och strömtäthet (röda stjärnor nedan), med en rekordhög effekttäthet på 0.75 W cm−2 under 1.0 bar H2-luft.

Källa: forskning Gate

Denna katalysatordesign är också mycket mer hållbar än den tidigare versionen av järnbaserade katalysatorer och bibehåller en verkningsgrad på 86 % efter mer än 300 timmars drift.

Källa: forskning Gate

Slutsats

En vätgasekonomi kommer endast att vara möjlig när de ekonomiska övervägandena har lösts, med lättframställda katalysatorer, som förlitar sig på rikliga och billiga material.

I det sammanhanget skulle järn, som är en av de mest producerade och billigaste metallerna på jorden, vara en idealisk kandidat.

Det innebär också att den relativt snabba försämringen av effektiviteten över tid (vilken sannolikt fortfarande skulle kunna förbättras jämfört med den första experimentella designen) skulle vara mindre av ett problem, och att katalysatordelen av bränslecellen helt enkelt skulle kunna bytas ut mot en ny regelbundet, där den använda återvinns eller regenereras till sin ursprungliga prestanda.

Investeringar i bränslecellsteknik

Plug Power Inc.

Plug Power är ledande inom grön vätgas, med fokus på bränsleceller. Företaget rapporterar att de har över 72,000 300 bränsleceller installerade på över 40,000 platser, med en stor närvaro i materialhanteringsflottor. I synnerhet driver deras bränsleceller över 8 2013 gaffeltruckar och har en ökning av intäkterna med en gång så mycket som XNUMX.

Det är också aktivt inom byggandet av vätgasinfrastruktur, såsom vätgasproduktion, logistik, kraftproduktion i stor skala och leveranser.

Källa: Anslut ström

Företaget siktar på skala för att minska kostnaderna för vätgasproduktion från 10 dollar/kg till 4 dollar/kg, samtidigt som produktionen multipliceras med 14 gånger år 2027. Det bör också ersätta all externt anskaffad vätgas, som ofta såldes vidare till kunder med förlust.

På grund av de massiva investeringarna för att öka produktionskapaciteten med 19 gånger sedan 2020 är företaget ännu inte lönsamt, men framsteg med att skaffa sin egen vätgas bör ändra på det.

Företaget ser sina lösningar antingen som ett direkt mobilitetsbränsle eller ett komplement till elbilar, eftersom vätgas möjliggör en minskning av trycket på elnätet under elbilarnas högsta laddningstid, vilket inte matchar perioderna av produktion av förnybar energi under dagen.

Källa: Anslut ström

Som en stor producent av bränsleceller skulle Plug Power dra stor nytta av en övergång till en vätgasbaserad ekonomi. En billigare bränslecellskatalysator skulle kunna integreras i deras konstruktioner och öka andelen vätgasfordon och energilagring i elnätet.

Så detta gör Plug Power till en bra aktie att satsa på en vändning mot vätgas i allmänhet, med en ökande efterfrågan på deras bränsleceller varje gång en billigare metod för att producera, lagra, transportera eller använda vätgas uppfinns.

Senaste aktienyheterna och utvecklingen för Plug Power Inc (PLUG)

Studierefererad

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Reduktion av surt syre med enatomiga Fe-katalysatorer på krökta bärare. Naturen 644, 668 – 675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}