Platin-grafen brændselscellekatalysatorer viser overlegen stabilitet i forhold til bulk platin

Film af platin kun to atomer tykt understøttet af grafen kunne muliggøre brændselscellekatalysatorer med hidtil uset katalytisk aktivitet og lang levetid, ifølge en undersøgelse offentliggjort for nylig af forskere ved Georgia Institute of Technology.

Platin er en af ​​de mest almindeligt anvendte katalysatorer til brændselsceller på grund af, hvor effektivt det muliggør oxidationsreduktionsreaktionen i centrum af teknologien. Men dets høje omkostninger har ansporet forskningsbestræbelser på at finde måder at bruge mindre mængder af det på og samtidig bevare den samme katalytiske aktivitet.

"Der vil altid være en startomkostning for at producere en brændselscelle med platinkatalysatorer, og det er vigtigt at holde disse omkostninger så lave som muligt, " sagde Faisal Alamgir, en lektor ved Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Men de reelle omkostninger ved et brændselscellesystem er beregnet ud fra, hvor længe det system holder, og det er et spørgsmål om holdbarhed.

"For nylig har der været et fremstød for at bruge katalytiske systemer uden platin, men problemet er, at der hidtil ikke er blevet foreslået et system, der samtidig matcher den katalytiske aktivitet og holdbarheden af ​​platin, " sagde Alamgir.

Georgia Tech-forskerne prøvede en anden strategi. I undersøgelsen, som blev offentliggjort den 18. september i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer og støttet af National Science Foundation, de beskriver at skabe flere systemer, der brugte atomisk tynde film af platin understøttet af et lag af grafen - effektivt maksimerer det samlede overfladeareal af platinet, der er tilgængeligt for katalytiske reaktioner, og bruger en meget mindre mængde af det ædle metal.

De fleste platinbaserede katalytiske systemer bruger nanopartikler af metallet kemisk bundet til en støtteoverflade, hvor overfladeatomer i partiklerne udfører det meste af det katalytiske arbejde, og det katalytiske potentiale af atomerne under overfladen bliver aldrig udnyttet så fuldt ud som overfladeatomerne, hvis overhovedet.

Derudover forskerne viste, at de nye platinfilm, der er mindst to atomer tykke, overgik nanopartikelplatin i dissociationsenergien, som er et mål for energiomkostningerne ved at fjerne et overfladeplatinatom. Denne måling tyder på, at disse film kunne lave potentielt længerevarende katalytiske systemer.

For at forberede de atomare tynde film, forskerne brugte en proces kaldet elektrokemisk atomlagaflejring til at dyrke platinmonolag på et lag af grafen, oprette prøver, der havde en, to eller tre atomlag af atomer. Forskerne testede derefter prøverne for dissociationsenergi og sammenlignede resultaterne med energien af ​​et enkelt platinatom på grafen samt energien fra en fælles konfiguration af platinnanopartikler, der bruges i katalysatorer.

"Det grundlæggende spørgsmål i hjertet af dette arbejde var, om det var muligt, at en kombination af metallisk og kovalent binding kan gøre platinatomerne i en platin-grafen-kombination mere stabile end deres modstykker i bulk-platin, der almindeligvis anvendes i katalysatorer, der understøttes af metallisk binding, " sagde Seung Soon Jang, en lektor på School of Materials Science and Engineering.

Forskerne fandt ud af, at bindingen mellem tilstødende platinatomer i filmen i det væsentlige kombinerer kræfter med bindingen mellem filmen og grafenlaget for at give forstærkning på tværs af systemet. Det gjaldt især i platinfilmen, der var to atomer tyk.

"Typisk metalliske film under en vis tykkelse er ikke stabile, fordi bindingerne mellem dem ikke er retningsbestemte, og de har en tendens til at rulle over hinanden og konglomerere for at danne en partikel, " sagde Alamgir. "Men det er ikke sandt med grafen, som er stabil i en todimensionel form, selv et atom tykt, fordi det har meget stærke kovalente retningsbindinger mellem dets naboatomer. Så dette nye katalytiske system kunne udnytte den retningsbestemte binding af grafen til at understøtte en atomisk tynd film af platin."

Fremtidig forskning vil involvere yderligere test af, hvordan filmene opfører sig i et katalytisk miljø. Forskerne fandt i tidligere forskning på grafen-platin-film, at materialet opfører sig ens i katalytiske reaktioner, uanset hvilken side - grafen eller platin - der er den eksponerede aktive overflade.

"I denne konfiguration, the graphene is not acting as a separate entity from the platinum, " Alamgir said. "They're working together as one. So we believe that if you're exposing the graphene side, you get the same catalytic activity and you could further protect the platinum, potentially further enhancing durability."