Indsigt på atomniveau hjælper med at reducere nedbrydning i brændselsceller og forlænge deres levetid

Køretøjer drevet af polymerelektrolytmembranbrændselsceller (PEMFC'er) er energieffektive og miljøvenlige, men på trods af stigende offentlig interesse for PEMFC-drevet transport, den nuværende ydelse af materialer, der bruges i brændselsceller, begrænser deres udbredte kommercialisering.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory ledede et hold til at undersøge reaktioner i PEMFC'er, og deres opdagelser informerede om skabelsen af ​​teknologi, der kunne bringe brændselsceller et skridt tættere på at realisere deres fulde markedspotentiale.

PEMFC'er er afhængige af brint som brændstof, som oxideres på cellens anodeside gennem en hydrogenoxidationsreaktion, mens ilt fra luften bruges til en iltreduktionsreaktion (ORR) ved katoden. Gennem disse processer, brændselsceller producerer elektricitet til at drive elektriske motorer i køretøjer og andre applikationer, udsender vand som det eneste biprodukt.

Platinbaseret, partikler i nanostørrelse er de mest effektive materialer til at fremme reaktioner i brændselsceller, inklusive ORR i katoden. Imidlertid, ud over deres høje omkostninger, platinnanopartikler lider af gradvis nedbrydning, især i katoden, hvilket begrænser katalytisk ydeevne og reducerer brændselscellens levetid.

Forskerholdet, som omfattede DOE's Oak Ridge National Laboratory og flere universitetspartnere, brugt en ny tilgang til at undersøge opløsningsprocesser af platin på atom- og molekylært niveau. Undersøgelsen gjorde dem i stand til at identificere nedbrydningsmekanismen under den katodiske ORR, og indsigten styrede designet af en nanokatalysator, der bruger guld til at eliminere platinopløsning.

"Opløsningen af ​​platin sker på atomær og molekylær skala under eksponering for det stærkt korrosive miljø i brændselsceller, "sagde Vojislav Stamenkovic, en senior videnskabsmand og gruppeleder for Energy Conversion and Storage-gruppen i Argonnes Materials Science Division (MSD). "Denne materialenedbrydning påvirker brændselscellens langsigtede drift, udgør en hindring for implementering af brændselsceller i transport, specielt i tunge opgaver såsom langdistancelastbiler."

Starter i det små

Forskerne brugte en række tilpassede karakteriseringsværktøjer til at undersøge opløsningen af ​​veldefinerede platinstrukturer i enkeltkrystaloverflader, tynde film og nanopartikler.

"Vi har udviklet evner til at observere processer på atomær skala for at forstå de mekanismer, der er ansvarlige for opløsning og for at identificere de betingelser, hvorunder det opstår, "sagde Pietro Papa Lopes, en videnskabsmand i Argonnes MSD og førsteforfatter på undersøgelsen. "Så implementerede vi denne viden i materialedesign for at mindske opløsning og øge holdbarheden."

Teamet studerede opløsningsformen på det grundlæggende niveau ved hjælp af overfladespecifikke værktøjer, elektrokemiske metoder, induktivt koblet plasma massespektrometri, beregningsmodellering og atomkraft, scanning tunneling og højopløsnings transmissionsmikroskoper.

Ud over, forskerne stolede på en højpræcisionssyntesetilgang til at skabe strukturer med veldefinerede fysiske og kemiske egenskaber, sikre, at forholdet mellem struktur og stabilitet opdaget ved at studere 2-D overflader blev overført til de 3D-nanopartikler, de producerede.

"Vi udførte disse undersøgelser - fra enkeltkrystaller, til tynde film, til nanopartikler - som viste os, hvordan man syntetiserer platinkatalysatorer for at øge holdbarheden, sagde Lopes, "og ved at se på disse forskellige materialer, Vi identificerede også strategier for at bruge guld til at beskytte platin. "

Går efter guld

Efterhånden som forskerne afslørede opløsningens grundlæggende natur ved at observere dens forekomst i flere testbed-scenarier, teamet brugte viden til at afbøde opløsning med tilføjelse af guld.

Forskerne brugte transmissionselektronmikroskopi på Argonne's Center for Nanoscale Materials og ved Center for Nanophase Materials Sciences ved Oak Ridge National Laboratory - begge DOE Office of Science User Facilities - til at afbilde platinnanopartikler efter syntese og før og efter operation. Denne teknik gjorde det muligt for forskerne at sammenligne stabiliteten af ​​nanopartiklerne med og uden indarbejdet guld.

Teamet fandt ud af, at kontrolleret placering af guld i kernen fremmer arrangementet af platin i en optimal overfladestruktur, der giver høj stabilitet. Ud over, guld blev selektivt deponeret på overfladen for at beskytte specifikke steder, som holdet identificerede som særligt sårbare for opløsning. Denne strategi eliminerer opløsning af platin fra selv de mindste nanopartikler, der anvendes i denne undersøgelse, ved at holde platinatomer knyttet til de steder, hvor de stadig effektivt kan katalysere ORR.

Atomisk forståelse

At forstå mekanismerne bag opløsning på atomniveau er afgørende for at afdække sammenhængen mellem platintab, overfladestruktur og størrelse og forhold mellem platinnanopartikler, og bestemmelse af, hvordan disse relationer påvirker langsigtet drift.

"Den nye del af denne forskning er at løse mekanismerne og fuldstændig afbøde platinopløsning ved materialedesign i forskellige skalaer, fra enkeltkrystaller og tynde film til nanopartikler, "sagde Stamenkovic." Det er den indsigt, vi fik i forbindelse med design og syntese af et nanomateriale, der behandler holdbarhedsproblemer i brændselsceller, samt evnen til at afgrænse og kvantificere opløsning af platinkatalysator fra andre processer, der bidrager til brændselscelleydelsesforfald."

Holdet udvikler også en forudsigelig aldringsalgoritme til at vurdere langtidsholdbarheden af ​​de platinbaserede nanopartikler og fandt en 30-dobbelt forbedring af holdbarheden sammenlignet med nanopartikler uden guld.

Et papir om undersøgelsen, med titlen "Eliminering af opløsning af platinbaserede elektrokatalysatorer på atomær skala, " blev offentliggjort den 20. juli i Naturmaterialer .