Ny, holdbar katalysator til nøglebrændstofcellereaktion kan vise sig nyttig i miljøvenlige køretøjer

En faktor, der holder den udbredte brug af miljøvenlige brintbrændselsceller tilbage i biler, lastbiler og andre køretøjer er prisen for de platinkatalysatorer, der får cellerne til at fungere. En tilgang til at bruge mindre ædel platin er at kombinere det med andre billigere metaller, men disse legeringskatalysatorer har en tendens til at nedbrydes hurtigt under brændselscelleforhold.

Nu, forskere fra Brown University har udviklet en ny legeringskatalysator, der både reducerer platinforbruget og holder sig godt i brændselscelletest. Katalysatoren, fremstillet af legering af platin med kobolt i nanopartikler, viste sig at slå US Department of Energy (DOE) mål for 2020 i både reaktivitet og holdbarhed, ifølge test beskrevet i journalen Joule .

"Holdbarheden af ​​legeringskatalysatorer er et stort problem på området, "sagde Junrui Li, en kandidatstuderende i kemi på Brown og undersøgelsens hovedforfatter. "Det har vist sig, at legeringer i første omgang klarer sig bedre end ren platin, men under betingelserne, inde i en brændselscelle bliver den uædle metaldel af katalysatoren oxideret og udvasket meget hurtigt."

For at løse dette udvaskningsproblem, Li og hans kolleger udviklede legerede nanopartikler med en specialiseret struktur. Partiklerne har en ren platin ydre skal, der omgiver en kerne, der består af skiftevis lag af platin og koboltatomer. Denne lagdelte kernestruktur er nøglen til katalysatorens reaktivitet og holdbarhed, siger Shouheng Sun, professor i kemi ved Brown og seniorforfatter af forskningen.

"Det lagdelte arrangement af atomer i kernen hjælper med at glatte og stramme platingitter i den ydre skal, "Solen sagde." Det øger platinets reaktivitet og beskytter samtidig koboltatomerne mod at blive spist væk under en reaktion. Derfor fungerer disse partikler så meget bedre end legeringspartikler med tilfældige arrangementer af metalatomer. "

Detaljerne om, hvordan den ordnede struktur forbedrer katalysatorens aktivitet, er beskrevet kort i Joule papir, men mere specifikt i et separat computermodelleringspapir offentliggjort i Journal of Chemical Physics . Modelleringsarbejdet blev ledet af Andrew Peterson, en lektor i Brown's School of Engineering, som også var medforfatter på Joule papir.

Til det eksperimentelle arbejde, forskerne testede katalysatorens evne til at udføre oxygenreduktionsreaktionen, hvilket er afgørende for brændselscellens ydeevne og holdbarhed. På den ene side af en proton exchange membrane (PEM) brændselscelle, elektroner fjernet fra brintbrændstof skaber en strøm, der driver en elektrisk motor. På den anden side af cellen, oxygenatomer optager disse elektroner for at fuldende kredsløbet. Det sker gennem iltreduktionsreaktionen.

Indledende test viste, at katalysatoren fungerede godt i laboratoriemiljøet, bedre end en mere traditionel platinlegering katalysator. Den nye katalysator fastholdt sin aktivitet efter 30. 000 spændingscyklusser, hvorimod ydeevnen af ​​den traditionelle katalysator faldt betydeligt.

Men mens laboratorietest er vigtige for at vurdere egenskaberne af en katalysator, siger forskerne, de viser ikke nødvendigvis, hvor godt katalysatoren vil fungere i en egentlig brændselscelle. Brændselscellemiljøet er meget varmere og adskiller sig i surhedsgrad sammenlignet med laboratorietestmiljøer, som kan fremskynde nedbrydning af katalysatoren. For at finde ud af, hvor godt katalysatoren ville holde sig i det miljø, forskerne sendte katalysatoren til Los Alamos National Lab til test i en egentlig brændselscelle.

Testen viste, at katalysatoren slår mål, der er fastsat af Department of Energy (DOE) for både første aktivitet og længerevarende holdbarhed. DOE har udfordret forskere til at udvikle katalysator med en initial aktivitet på 0,44 ampere pr. milligram platin i 2020, og en aktivitet på mindst 0,26 ampere pr. milligram efter 30, 000 spændingscyklusser (svarende omtrent til fem års brug i et brændselscellekøretøj). Test af den nye katalysator viste, at den havde en startaktivitet på 0,56 ampere pr. milligram og en aktivitet efter 30, 000 cyklusser af 0,45 ampere.

"Selv efter 30, 000 cykler, vores katalysator overskred stadig DOE-målet for indledende aktivitet, " sagde Sun. "Den slags ydeevne i et virkeligt brændselscellemiljø er virkelig lovende."

Forskerne har ansøgt om et foreløbigt patent på katalysatoren, og de håber at blive ved med at udvikle og forfine det.