Gorivne ćelije su rešenja za konverziju energije koja generišu električnu energiju putem elektrohemijskih reakcija bez sagorevanja, čime ne doprinose zagađenju vazduha na Zemlji. Ove ćelije bi mogle da napajaju različite tehnologije, od električnih vozila do prenosivih punjača i industrijskih mašina.
Uprkos svojim prednostima, mnogi dizajni gorivnih ćelija koji su uvedeni do danas se oslanjaju na skupe materijale i katalizatore plemenitih metala, što ograničava njihovo široko usvajanje. Gorivne ćelije sa anjonskom izmjenom membrane (AEMFC) mogle bi pomoći u rješavanju ovih izazova, jer su zasnovane na jeftinim katalizatorima koji obiluju Zemljom i stoga bi mogli biti pristupačniji.
Poslednjih godina mnoge istraživačke grupe širom sveta dizajniraju i testiraju nove AEMFC. Dok su neki postojeći uređaji postigli obećavajuće rezultate, utvrđeno je da je većina neplemenitih metala koji služe kao katalizatori sklona samooksidaciji, što uzrokuje nepovratni otkaz ćelija.
Istraživači sa Univerziteta Chongking i Univerziteta Loughborough nedavno su osmislili strategiju koja bi mogla spriječiti oksidaciju metalnih nikalnih elektrokatalizatora za AEMFC. Ova strategija, predstavljena u radu u Nature Energy, podrazumeva upotrebu novodizajnirane katalitičke strukture nalik kvantnoj bušotini (KVCS) koja se sastoji od kvantno ograničenih metalnih nanočestica nikla.
„Neplemeniti metali koji se koriste u AEMFC-ima za katalizu reakcije oksidacije vodonika skloni su samooksidaciji, što dovodi do nepovratnog neuspeha“, napisali su Juanjuan Džou, Vei Juan i njihove kolege u svom radu. „Pokazujemo KVCS, konstruisan atomskim ograničavanjem nanočestica Ni u heterospojnici MoO k / MoO k (C-MoO k /MoO k) koja može selektivno da prenese spoljne elektrone iz reakcije oksidacije vodonika, a da pritom ostane metalna.“
KVCS su nanostrukture koje pokazuju svojstva kvantnih bunara koje mogu poboljšati katalitičku aktivnost. Novi KVCS koji su konstruisali istraživači sastoji se od nanočestica Ni atomski ograničenih u heterospojnicu koja se sastoji od kristalizovanog MoOk dopiranog ugljenikom (C-MoOk) kao doline niske energije i amorfnog MoOk kao visoke energetske barijere.
Katalizator koji su dizajnirali, nazvan Ni@C-MoOk, može selektivno preneti spoljašnje elektrone proizvedene katalizom reakcije oksidacije vodonika bez prenošenja elektrona iz Ni katalizatora u dolinu KVCS-a. Ovaj selektivni prenos elektrona čini katalizator otpornim na elektro-oksidaciju, štiteći gorivne ćelije od degradacije i kvara.
Ni@C-MoOk katalizator, za koji je utvrđeno da održava odličnu HOR katalitičku stabilnost nakon 100 sati neprekidnog rada u teškim uslovima, korišćen je za stvaranje alkalne gorivne ćelije katalizovane anodom. Ova gorivna ćelija je postigla izvanredne rezultate, pokazujući visoku specifičnu gustinu snage od 486 mV mg NI -1, bez opadanja performansi nakon ponovljenih ciklusa isključivanja i pokretanja.
„Elektroni nanočestica Ni dobijaju barijeru od 1,11 eV koju obezbeđuje KVCS što dovodi do stabilnosti Ni do 1,2 V u odnosu na reverzibilnu vodoničnu elektrodu (V RHE), dok elektroni oslobođeni iz reakcije oksidacije vodonika lako prelaze barijeru pomoću operacije zatvaranja KVCS-a nakon adsorpcije vodonika“, napisali su Džou, Juan i njihove kolege. „AEMFC katalizovan KVCS-om postigao je gustinu velike snage od 486 mV mg Ni-1 i izdržao je operacije vodoničnog gladovanja tokom ciklusa gašenja-pokretanja, dok je analogni AEMFC bez KVCS-a otkazao u jednom ciklusu.
Nova katalitička struktura koju je dizajnirao i konstruisao ovaj tim istraživača uskoro bi mogla da doprinese razvoju isplativih AEMFC-ova koji su pouzdaniji i koji se ne degradiraju brzo tokom vremena. Njegova osnovna strategija dizajna takođe bi se mogla koristiti za stvaranje drugih obećavajućih katalizatora koji koriste kvantno ograničenje kako bi sprečili elektro-oksidaciju neplemenitih metala.
