A hidrogén szabályozott égetéséhez szükséges platina-alapú katalizátor vállalhatatlanul drágává teszi a cellákat a tömeges gyakorlati alkalmazás céljára. A szakemberek azonban folyamatosan keresik az költségkímélőbbek alternatív megoldásokat. Az amerikai Rice University kutatói kínai kollégáikkal együttműködve most egy olyan, nitrogénnel szennyezett grafénon és ruténiumon alapuló katalizátort dolgoztak ki, amely teljesíti ezeket az elvárásokat, így új lendületet adhat a végtermékként légszennyező gázokat nem termelő, pusztán elektromosságot és vizet előállító hidrogénes üzemanyagcellák fejlesztésének. A kutatók eredményeiket az American Chemical Society által fenntartott ACS Nano folyóiratban tették közzé.
A hidrogénes üzemanyagcellában az elektronok a gáz halmazállapotú hidrogénről utaznak a szintén gáz halmazállapotú oxigénre, miközben a hidrogénből keletkezett protonok egy elektrolit-rétegen át vándorolnak az anód és a katód között. Az elektronok végül az oxigént kémiailag redukálva – és a protonokkal kombinálódva – vizet alkotnak. A reakció könnyebbé tétele érdekében használják a hagyományos hidrogénes üzemanyagcellákban a platina katalizátort. Azonban ez nagyon drága, ami erősen korlátozta a hidrogénes üzemanyagcellák elterjedését.
Az újfajta katalizátor alapját egy nitrogénnel szennyezett grafénkristály képezi. A nitrogénatomokból négy-négy alkot egy-egy szigetet a szénatomok lapos tengerében. A szerkezet harmadik, kulcsfontosságú komponense a ruténium, amely a platinához hasonló viselkedésű átmenetifém, amely a tényleges katalízisért felelős. A ruténiumatomokat a nitrogénatomok négyes csoportjai tartják fogva a grafénháló felszínén.
James Tour, a Rice University vegyésze, az új anyagot előállító laboratórium vezetője szerint: „A négy nitrogénatom által közrefogott ruténium általában igen aktív katalizátorként viselkedik, ugyanakkor előállítási költsége a hagyományos platina-katalizátorénak mindössze a tizede. És mivel a ruténium egyedi atomjait és nem nagyobb aggregátumait használjuk, nincsenek a felülettől elzárt atomok, amelyek nem vesznek részt a reakcióban. Ahány ruténiumatom csak van, az mind reakcióra kész."
A ruténium-alapú katalizátor a laboratóriumi tesztekben a platina-alapú ötvözetekkel összevethető teljesítményt mutatott, és jócskán túlszárnyalta a másik alternatívaként számon tartott katalizátor, a nitrogénnel szennyezett grafén és a vas kombinációjának mutatóit. Tour elmondása szerint az egyedi ruténiumatomok szétterítése a grafénháló felszínén nem okozott különösebb nehézséget. Először szilárd grafén-oxidot kellett eloszlatni egy oldatban, majd hozzáadni kis mennyiségű ruténiumot, és fagyasztva szárítani ezt a diszperziót. Az így kapott habot aztán 750 °C-on, nitrogéngáz és hidrogéngáz jelenlétében hőkezelték. A hidrogéngáz elemi grafénná redukálta a grafén-oxidot, a nitrogén pedig beépült a szénatomok hálózatába, biztosítva azokat a pontokat, ahol a ruténium kapcsolódni tud a háló felszínéhez.
Az új katalizátor kitűnően ellenállt azoknak a károsító tényezőknek, amelyek a hagyományos platina-alapú üzemanyagcellák hatékonyságát lerontják. Az egyik ilyen a „metanol-átszivárgás" néven ismert jelenség, amely akkor áll elő, amikor az üzemanyagcella nem hidrogéngázzal, hanem a szintén nagy energiasűrűségű – így üzemanyagként elsőrangúan funkcionáló – metanollal működik. A hagyományos platinakatalizátorokban a metanol hajlamos átszivárogni a cella egyik oldaláról a másikra, s az így elvesztett metanol nem szolgáltat energiát.
A másik, platina-katalizátorokat fenyegető jelenség a „szénmonoxid-mérgezés". Ahogy a szén-monoxid az emberi vérben is képes elfoglalni az oxigén számára fenntartott kötőhelyeket, úgy a platina-katalizátorokban is erősen hozzá tud kötődni a platinához, így megakadályozva a hidrogén-platina kölcsönhatást. A hidrogéngáz gyártása során szinte elkerülhetetlen, hogy szennyezésként némi szén-monoxid is keletkezzék, és a nemkívánatos gáz már nyomnyi mennyiségben is „megmérgezi" a katalizátor aktív helyeit.
