Koolstof met een klein beetje mangaan kan wellicht platina vervangen in brandstofcellen. Het geheim zit in het bereidingsproces, suggereert een Chinees-Amerikaanse publicatie in Nature Catalysis.

Het gaat dan specifiek over de zuurstofkant van het protonendoorlatende membraan (PEM) in zo’n brandstofcel. Daar heeft de reductie van O₂ tot 2 O^2- plaats, een ‘lastige’ reactie waarvoor tot nu toe alleen platinakatalysatoren in aanmerking komen.

Om het beter betaalbaar te maken wordt al langer gezocht naar platinavrije alternatieven. Zogeheten M-N-C-katalysatoren gelden daarbij als veelbelovend: een combinatie van een overgangsmetaal zoals ijzer of kobalt met koolstof, dat je doteert met een beetje stikstof. Elk metaalatoom hangt daarbij omringd door een viertal stikstofatomen in de koolstofmatrix. Alleen heeft niemand zulke katalysatoren ooit stabiel genoeg weten te krijgen.

Zeker in het zure milieu, dat heerst in zo’n brandstofcel vol losse protonen, zou mangaan een stabieler geheel moeten opleveren. Maar tot nu toe lukte het niet om voldoende MnN₄-groepen door de koolstof te mengen. Voor zo’n M-N-C-katalysator ga je uit van ZIF-8, een metal-organic framework (MOF) met zink in de hoekpunten en stikstofhoudende organische moleculen daartussen. Een deel van het zink vervang je door het gewenste metaal. Verkool je daarna het MOF, dan houd je een poreuze koolstofstructuur over die qua geometrie sterk blijft lijken op het origineel. Maar met Mn werkt dat lang niet zo goed als bij Fe of Co: zodra je teveel Zn-hoekpunten vervangt door Mn, krijg je onderlinge reacties en ongewenste nevenproducten.

Gang Wu en collega’s zoeken de oplossing nu in een tweestapsproces. In eerste instantie bouwen ze maar een beetje mangaan in. De rest volgt ná het verkolen. Dan vul je de poriën met mangaanchloride en cyaanamide als stikstofbron, waarna je die combinatie opnieuw sterk verhit. Het mangaan kan dan kennelijk niets anders meer doen dan extra MnN₄-clusters vormen en in de koolstofstructuur gaan zitten - hetgeen dus gebeurt.

Uiteindelijk kwam Wu zo uit op een katalysator waarin één op de vijf metaalionen mangaan is. Hij is uitrest stabiel onder omstandigheden die je in een PEM-brandstofcel mag verwachten, en gezien het grote aantal actieve plekken mag je verwachten dat hij ook zeer actief is. En dichtheidsfunctionaaltheorie-berekeningen laten zien dat het logisch dat die activiteit zich uit in het reduceren van zuurstof.

Dat Wu de nieuwe kat nog niet echt lijkt te hebben geprobeerd in een PEM-brandstofcel, is dan weer een beetje jammer.

bron: University at Buffalo