Så blir energiomvandlingen i bränsleceller effektivare
Ämnen det finns rikligt av på jorden – kol, kväve och övergångsmetalloxider – kan kombineras till mycket effektiva katalysatorer som kan användas i både bränsleceller och för elektrolys. Det visar Tiva Sharifi experimentellt i sin avhandling som hon försvarar vid Umeå universitet tisdagen den 31 mars. Avhandlingen heter Efficient Electrocatalysts based on nitrogen-doped carbon nanostructures for energy applications. Svensk titel: Effektiva elektrokatalysatorer baserade på kvävedopade kolnanostrukturer för energitillämpningar.
– Jag har tagit fram en katalyselektrod med en enastående prestanda och stabilitet för flera viktiga energiomvandlingsprocesser, säger Tiva Sharifi.
I takt med att oljan börjar sina, intensifieras jakten på nya alternativa energiresurser. Vätgasproduktion, genom att spjälka vattenmolekyler till syre och väte med hjälp av solljus som drivkraft, kan vara en intressant metod i framtiden för att få fram ett förnybart bränsle. För att kunna använda vätgas som bränsle, el eller värme behövs en energiomvandlare. Ett exempel är en bränslecell som kan omvandla vätgasens kemiska energi till elektricitet. Verkningsgraden hos en bränslecell är hög och restprodukten består av endast vatten.
Bränslecellen är dock beroende av effektiva elektrokatalysatorer för att fungera eftersom de elektrokemiska processerna i bränslecellen inte sker spontant. Vanligen syntetiseras sådana elektrokatalysatorer separat och fästs sedan på ytan av ett ledande material, som samlar strömmen. Denna kombination fungerar som elektrod (antingen katod eller anod) i den elektrokemiska cellen. Att få dessa katalyselektroder att fungera effektivt i stor skala är komplext, och involverar bland annat problem med en effektiv överföring av elektroner (som leder strömmen) från katalysmaterialet till elektroden. Många elektroder har också problem med stabilitet eftersom katalysmaterialet gärna vill lossna från elektroden under energiomvandlingsprocessen. Ett annat problem med de nuvarande katalysmaterialen är att de består av platina och andra ädelmetaller, som alla är väldigt sällsynta och dyra.
Tiva Sharifi har i sin avhandling fokuserat på att tillverka elektrodmaterial så att flera av de existerande problemen minimeras. Hon har löst detta genom att välja alternativ till ädelmetaller och låta det katalytiskt aktiva materialet växa direkt på “elektrodytan” som består av ett billigt ledande substrat tillverkat av kolfiber (karbonpapper). Genom att kombinera material såsom kvävedopade kolnanorör, transitionsmetaller såsom järnoxid, och koboltoxid, med det ledande substratet så kan en komplett elektrod tillverkas.
Hennes avhandling innefattar både tillämpad forskning med inriktning på att lösa praktiska problem rörande möjligheterna till effektiva katalysatorer som kan tillverkas i relativt stor skala med billiga metoder, men hennes forskning inriktar sig också på att lösa grundläggande frågeställningar kring hur katalysmaterialen fungerar.
En central frågeställning har varit hur olika kvävedefekter beter sig i kolmaterialen. Kvävedefekter kan introduceras i kolmaterial genom att byta ut vissa kolatomer mot kväve.
– De har mycket intressanta egenskaper för både möjligheten att framställa helt metallfria katalysatorer, men också för att underlätta möjligheten att fästa andra katalyspartiklar på materialen, säger Tiva Sharifi.
Källa: Umeå universitet
