Forskere maksimerer effektiviteten af ​​platin i brændselsceller

I journalen Videnskab , Argonne-kemikere har identificeret en ny katalysator, der maksimerer effektiviteten af ​​platin.

Platin er et ædelmetal mere sjældent end sølv eller guld. Berømt i brændselscellesamfundet for dets effektivitet i at omdanne brint og ilt til vand og elektricitet, platin tilbyder uovertruffen aktivitet og stabilitet til elektrokemiske reaktioner.

Men platin er både sparsomt og dyrt, hvilket betyder, at forskere søger at skabe praktiske brændselscellekatalysatorer, der bruger langt mindre af det dyre ædelmetal.

I ny forskning fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, udgivet i Videnskab , Forskere har identificeret en ny katalysator, der kun bruger omkring en fjerdedel så meget platin som den nuværende teknologi ved at maksimere effektiviteten af ​​det tilgængelige platin.

I en brændselscelle, platin bruges på to måder – til at omdanne brint til protoner og elektroner, og at bryde iltbindinger og til sidst danne vand. Sidstnævnte reaktion, iltreduktionsreaktionen, kræver en særlig stor mængde platin, og forskere har ledt efter en måde at reducere platinindholdet i iltreduktionskatalysatorer.

Argonne-forskere fandt nye måder til væsentligt at forbedre platinudnyttelsen. Først, de tilpassede formen på platinet for at maksimere dets tilgængelighed og reaktivitet i katalysatoren. I denne konfiguration, nogle få lag af rene platinatomer dækker en nanopartikelkerne af kobolt-platinlegering for at danne en kerne-skalstruktur.

"Hvis du kun får en meget lille mængde platin i første omgang, du skal udnytte det bedst muligt, " sagde Argonne kemiker Di-Jia Liu, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "At bruge en platin-kobolt kerne-skal-legering giver os mulighed for at lave et større antal katalytisk aktive partikler til at sprede sig over katalysatoroverfladen, men dette er kun det første skridt."

Kerne-skal-nanopartiklerne alene kunne stadig ikke klare en stor tilstrømning af ilt, når brændselscellen skal skrue op for den elektriske strøm. For at øge effektiviteten af ​​katalysatoren, Liu og hans kolleger stolede på en anden tilgang, de kendte godt fra deres tidligere forskning, producerer en katalytisk aktiv, platingruppe metalfrit (PGM-frit) substrat som understøttelse af kobolt-platinlegering nanopartikler.

Brug af metal-organiske rammer som forstadier, Liu og hans kolleger var i stand til at fremstille et kobolt-nitrogen-carbon-kompositsubstrat, hvor de katalytisk aktive centre er ensartet fordelt tæt på platin-cobalt-partiklerne. Sådanne aktive centre er i stand til selv at bryde iltbindingerne og arbejder synergistisk med platin.

"Du kan tænke på det som et molekylært fodboldhold, "Sagde Liu." Kerneskallen nanopartikler fungerer som defensive linemænd tyndt spredt ud over hele feltet, forsøger at tackle for mange iltmolekyler på samme tid. Det, vi har gjort, er at gøre selve 'feltet' katalytisk aktivt, i stand til at hjælpe med at tackle ilt."

Som det viste sig, den nye kombinerede katalysator forbedrede ikke kun aktiviteten, men også holdbarheden sammenlignet med begge komponenter alene.

Liu og hans kolleger har skabt en patenteret proces, der involverer først opvarmning af koboltholdige metal-organiske rammer. Når temperaturen stiger, nogle af koboltatomerne interagerer med organiske stoffer for at danne et PGM-frit substrat, mens andre reduceres til godt spredte små metalklynger i hele substratet. Efter tilsætning af platin efterfulgt af udglødning, platin-kobolt kerneskalpartikler dannes og omgives af PGM-frie aktive steder.

Mens det ultimative mål er helt at eliminere platin fra brintbrændselscellekatalysatorer, Liu sagde, at den nuværende forskning åbner op for en ny retning i at adressere både brændselscellekatalysatoraktivitet og holdbarhed på en omkostningseffektiv måde. "Da de nye katalysatorer kun kræver en ultralav mængde platin, ligner den, der anvendes i eksisterende bilkatalysatorer, det kunne bidrage til at lette overgangen fra konventionelle forbrændingsmotorer til brændselscellekøretøjer uden at forstyrre platinforsyningskæden og markedet, " han sagde.

Undersøgelsen bestod af katalysatordesign og syntese, beregningsmodellering og avanceret strukturel karakterisering ved Argonnes Advanced Photon Source og Center for Nanoscale Materials, begge DOE Office of Science brugerfaciliteter.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Ultralavlastende platin-kobolt brændselscellekatalysatorer afledt af imidazolat-strukturer, " optrådte i 8. november-udgaven af Videnskab .