Brændselscellekatalysatorers aktivitet blev fordoblet

Et tværfagligt forskerhold ved det tekniske universitet i München (TUM) har bygget platin-nanopartikler til katalyse i brændselsceller:De nye størrelsesoptimerede katalysatorer er dobbelt så kraftfulde som den bedste proces, der er kommercielt tilgængelig i dag.

Brændselsceller kan godt erstatte batterier som strømkilde til elbiler. De forbruger brint, en gas, der kunne produceres, for eksempel, ved hjælp af overskydende elektricitet fra vindkraftværker. Imidlertid, platin, der bruges i brændselsceller, er sjælden og ekstremt dyr, og dette har været en begrænsende faktor i applikationer indtil nu.

Et forskerhold ved det tekniske universitet i München (TUM) ledet af Roland Fischer, Professor for uorganisk og organometallisk kemi, Aliaksandr Bandarenka, Physics of Energy Conversion and Storage og Alessio Gagliardi, Professor for simulering af nanosystemer til energikonvertering, har nu optimeret størrelsen af ​​platinpartiklerne i en sådan grad, at partiklerne udfører niveauer dobbelt så højt som de bedste processer, der er kommercielt tilgængelige i dag.

Ideel:Et platin "æg" på kun en nanometer i størrelse

I brændselsceller, brint reagerer med ilt for at producere vand, producerer elektricitet i processen. Sofistikerede katalysatorer ved elektroderne er nødvendige for at optimere denne konvertering. Platin spiller en central rolle i iltreduktionsreaktionen.

På udkig efter en ideel løsning, teamet oprettede en computermodel af det komplette system. Det centrale spørgsmål:Hvor lille kan en klynge af platinatomer være og stadig have en meget aktiv katalytisk effekt? "Det viser sig, at der er visse optimale størrelser for platinstakke, "forklarer Fischer.

Partikler, der måler omkring et nanometer og indeholder cirka 40 platinatomer, er ideelle. "Platinkatalysatorer af denne størrelsesorden har et lille volumen, men et stort antal meget aktive pletter, resulterer i høj masseaktivitet, «siger Bandarenka.

Tværfagligt samarbejde

Tværfagligt samarbejde på Catalysis Research Center (CRC) var en vigtig faktor i forskerholdets resultater. Kombination af teoretiske muligheder inden for modellering, fælles diskussioner og fysisk og kemisk viden opnået ved forsøg resulterede i sidste ende i en model, der viser, hvordan katalysatorer kan designes med den ideelle form, størrelse og størrelsesfordeling af de involverede komponenter.

Ud over, CRC har også den ekspertise, der er nødvendig for at oprette og eksperimentelt teste de beregnede platinanokatalysatorer. "Dette kræver meget med hensyn til kunsten at uorganisk syntese, "siger Kathrin Kratzl, sammen med Batyr Garlyyev og Marlon Rück, en af ​​de tre hovedforfattere af undersøgelsen.

Dobbelt så effektiv som den bedste konventionelle katalysator

Eksperimentet bekræftede nøjagtigt de teoretiske forudsigelser. "Vores katalysator er dobbelt så effektiv som den bedste konventionelle katalysator på markedet, "siger Garlyyev, tilføjer, at dette stadig ikke er tilstrækkeligt til kommercielle applikationer, da den nuværende 50 procent reduktion af mængden af ​​platin skulle stige til 80 procent.

Ud over sfæriske nanopartikler, forskerne håber på endnu højere katalytisk aktivitet fra betydeligt mere komplekse former. Og de computermodeller, der er etableret i partnerskabet, er ideelle til denne form for modellering. "Alligevel, mere komplekse former kræver mere komplekse syntesemetoder, "siger Bandarenka. Dette vil gøre beregnings- og eksperimentelle undersøgelser mere og mere vigtige i fremtiden.