Železo-dusík-uhlíkové katalyzátory mají potenciál nahradit dražší platinové katalyzátory, které se v současnosti používají v palivových článcích.
Vodíkové palivové články přeměňují chemickou energii vodíku přímo na elektřinu, přičemž jediným vedlejším produktem je obyčejná voda. Mohly by se stát důležitou součástí klimaticky neutrální energetiky. Jedním z bolavých míst jsou však drahé elektrokatalyzátory, v nichž obvykle hraje klíčovou roli platina.
Slibnou alternativu představují uhlíkové katalyzátory, které obsahují železo s dusíkem a lze je využít v palivových článcích s polopropustnou aniontově výměnnou membránou. Takovou kombinaci prvků lze nalézt například v dobře rozložené estonské rašelině. Materiály na bázi uhlíku mají pozoruhodné vlastnosti. Některé z nich jsou vysoce porézní s propojenými póry různých velikostí, které připomínají chodby v mravenčí kolonii. Atomy vodíku a kyslíku jimi mohou migrovat, dokud nedosáhnou katalyticky aktivních míst, kde mohou probíhat požadované reakce. Během reakce vznikající voda je těmito cestami také odváděna.
Mezinárodní výzkumný tým, který vedla Rutha Jägerová z estonské Univerzity v Tartu, jehož součástí byli též výzkumníci z estonské Tallinské univerzity (TLÜ), z německého Helmholtzova centra Berlín (HZB) a z německého Federálního fyzikálně-technického institutu (PTB), analyzoval tvorbu uhlíkových katalyzátorů z dobře rozložené rašeliny.
„Změnou hierarchické struktury katalyzátoru, velikosti a tloušťky stěn pórů můžeme vyrábět materiály s velmi odlišnými vlastnostmi,“ říká Rutha Jägerová.
„Snažili jsme se pochopit, proč jeden z elektrokatalyzátorů Fe-NC vykazoval výjimečnou účinnost a selektivitu s výkonem srovnatelným s nejlepším katalyzátorem z neušlechtilých kovů, zatímco jiné vzorky Fe-NC si nevedly tak dobře,“ doplňuje ji Eneli Härková, elektrochemička a vědkyně zabývající se rozptylem v malých úhlech v HZB.
Badatelé využili německý synchrotron BESSY II v Berlíně a sledovali s jeho pomocí složité mikrostruktury ve výsledném materiálu. Zkoumali klíčové strukturní charakteristiky: hierarchickou pórovitost, strukturní neuspořádanost a interakční vzdálenost mezi aktivními centry uvnitř pórů. Zjišťovali, které strukturní parametry jsou důležité pro požadované elektrochemické reakce.
Z rašeliny syntetizovali pět různých katalyzátorových materiálů při různých teplotách od 800 do 1 000 °C a za použití různých modifikátorů pórů, aby bylo možné cíleně měnit strukturu pórů v katalyzátoru. Vytvořené vzorky spolu s komerčním katalyzátorem zkoumali v BESSY II pomocí anomálního maloúhlového rentgenového rozptylu (ASAXS) a konvenčního SAXS za účelem stanovení jejich pórovité struktury a distribuce aktivních center. Materiály byly následně testovány jako katalyzátory pro reakce redukce kyslíku, aby se empiricky korelovaly strukturní vlastnosti s elektrochemickým výkonem.
Z rentgenových vyšetření tým odvodil 13 strukturních parametrů, které ovlivňují katalytický výkon, včetně pórovitosti, neuspořádanosti a zakřivení pórů.
„Rozptyl v malých úhlech nám poskytuje takříkajíc přesnou mapu mraveniště, zatímco elektrochemické chování katalyzátoru nám ukazuje, jak se v něm ‚mravenci‘, tedy molekuly, pohybují,“ vysvětluje Härková.
Jedním z výsledků je, že při zakřivení pórů alespoň tři nanometry funguje redukce kyslíku na vodu nejlépe a minimalizuje se také tvorba problematického peroxidu vodíku.
Zjištění ukazují životaschopnou cestu od rašeliny k funkčním palivovým článkům, která by potenciálně mohla snížit náklady na systém a zvýšit udržitelnost.