Järnkatalysatorer gör vätgasbränsleceller praktiska

Vätgasbränsleceller: Järnkatalysatorer som ett platinalternativ

Väte kan i teorin vara den perfekta bränslet för en grön framtid: Det kan produceras från förnybar el, avger inga föroreningar vid förbrukning och kräver endast vatten som material för sin produktion.

Att producera väte till en tillräckligt låg kostnad har dock varit en utmaning. Alternativa system, som samtidig samproduktion av färskvatten, nya vättekatalysatorer som inte kräver ädelmetaller, eller fotokatalys, utforskas.

Ett annat steg som minskar den kommersiella lönsamheten för väte är i konsumtionsstadiet. När det inte används i en förbränningsmotor (liknande en brännmotorn, med lägre verkningsgrad), används bränsleceller, som vanligtvis kräver dyr platina som katalysator.

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

Lyckligtvis kommer alternativ, tack vare arbetet av kinesiska forskare vid många av landets främsta forskningsinstitutioner: Chinese Academy of Sciences, Shenzhen University (China), Southeast University (China), 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 “Syrad syrereduktion av enkelförstärknings‑järnkatalysatorer på krökta stöd”.

Hur bränsleceller fungerar

Delarna av bränsleceller som genererar elektricitet från förbrukning av väte är protonutbytesmembranen (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 katalysdesign, beskriven som ”inre aktivering, yttre skydd”, som förlitar sig på enkelt järn som katalysator.

Järnbaserade vättekatalysatorer

Utmaningar med järnkatalysatorer i bränsleceller

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

Men hittills har den hindrats av oönskade kemiska reaktioner, särskilt den starka adsorptionen av syrehaltiga reaktionsintermediärer och demetalliseringen av järnatomer. Så antingen fastnar järnatomerna i syre‑rika 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 tillgänglig för de önskade reaktionerna med väte.

Istället användes metoden att skapa en inre krökt yta med en enkelförstärknings‑järnkatalysatorsajt.

Varje av dessa sajter är placerad i en nanokonfinerad ihålig flerskalsstruktur (HoMS). Dessa nano‑HoMS sprids över och binds till ett 2D‑kolskikt, liknande grafen.

Källa: Research Gate

De nano‑ihåliga partiklarna är cirka 10 nm × 4 nm i storlek och består av flera skal där järnatomer är koncentrerade på de inre lagren med hög densitet. Synkrotron‑röntgenabsorptionsspektroskopi visade att dessa inre Fe‑atomer befinner sig i ett katalytiskt aktivt tillstånd med en andel på 57,9 %.

Källa: Research Gate

Prestandaförbättringar med järnkatalysatorer

Svep för att rulla →

Nanostrukturen försvagar bindningsstyrkan hos de syrehaltiga reaktionsintermediärerna, vilket eliminerar en stor begränsning för järnbaserade katalysatorer.

Källa: Research Gate

Den minskar också bildningshastigheten för hydroxylradikalen (•OH), en mycket reaktiv och skadlig molekyl som alltid kan vara ett problem i syre‑vätreaktioner.

Det slutgiltiga resultatet är en bränslecell som använder järnkatalysatorer och som är radikalt överlägsen andra konstruktioner, både när det gäller topp effekt densitet och strömtäthet (röda stjärnor nedan), med en rekordhög effekt densitet på 0,75 W cm⁻² under 1,0 bar H₂‑luft.

Källa: Research Gate

Denna katalysdesign är också mycket mer hållbar än den tidigare iterationen av järnbaserade katalysatorer, och behåller 86 % verkningsgrad efter mer än 300 timmars drift.

Källa: Research Gate

Slutsats

En vätgasekonomi kommer endast att vara möjlig när de ekonomiska övervägandena har lösts, med lättproducerade katalysatorer som förlitar sig på rikligt och billigt material.

I detta sammanhang skulle järn, som är ett av de mest producerade och billigaste metallerna på jorden, vara en ideal kandidat.

Det innebär också att den relativt snabba nedgången i verkningsgrad över tid (vilken sannolikt fortfarande kan förbättras jämfört med den första experimentella designen) skulle vara mindre problematisk, och katalysatordelen i bränslecellen kan enkelt bytas ut mot en ny regelbundet, med den använda återvunnen eller återställd till sin ursprungliga prestanda.

Investera i bränslecellsteknik

Plug Power (PLUG ) är en ledare inom grön vätgas, med fokus på bränsleceller. Företaget rapporterar att över 72 000 bränsleceller har installerats på mer än 300 platser, med ett stort fotavtryck i materialhanteringsflottor. Speciellt driver deras bränsleceller över 40 000 truckar och har intäkterna ökat 8‑faldigt sedan 2013.

Det är också aktivt i att bygga vätgassinfrastruktur, såsom vätgasproduktion, logistik, storskalig kraftgenerering och leveranser.

Källa: Plug Power

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

På grund av de massiva investeringarna för att öka produktionskapaciteten 19‑gånger sedan 2020 är företaget ännu inte lönsamt, men framsteg i att säkra egen vätgas bör förändra detta.

Företaget ser sina lösningar antingen som ett direkt mobilitetsbränsle eller som ett komplement till elbilar, eftersom vätgas möjliggör minskning av belastningen på elnätet under elbilarnas toppladdningstid, vilket inte matchar förnybara energiers produktionsperioder under dagen.

Källa: Plug Power

Som en stor producent av bränsleceller skulle Plug Power ha stor nytta av en övergång till en vätgasbaserad ekonomi. En billigare bränslecellkatalysator skulle kunna integreras i deras konstruktioner och öka antagandet av vätgasfordon och energilagring i nätstorskala.

Detta gör därför Plug Power till en bra aktie att satsa på i en generell övergång till vätgas, med en ökande efterfrågan på deras bränsleceller varje gång en billigare metod för att producera, lagra, transportera eller utnyttja väte uppfinns.

Senaste nyheter och utvecklingar för Plug Power Inc (PLUG)-aktien

Studie refererad

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. Syrad syrereduktion av enkelförstärknings‑järnkatalysatorer på krökta stöd. Nature 644, 668–675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}