Højtydende enkeltatomkatalysatorer til høj temperatur brændselsceller

I modsætning til sekundære batterier, der skal genoplades, brændselsceller er en type miljøvenligt elproduktionssystem, der producerer elektricitet direkte fra elektrokemiske reaktioner ved hjælp af brint som brændstof og ilt som oxidant. Der er forskellige typer brændselsceller, forskellige driftstemperaturer og elektrolytmaterialer. Faste oxidbrændselsceller (SOFC'er), der bruger en keramisk elektrolyt, får større opmærksomhed. Fordi de fungerer ved høje temperaturer omkring 700 grader Celsius, de tilbyder den højeste effektivitet blandt brændselscelletyper, og kan også bruges til at producere hydrogen ved dampnedbrydning. Til kommercialisering af denne teknologi, yderligere forbedring af celleydelsen er nødvendig, og nye katalysatormaterialer med høj temperatur forventes meget.

Platin (Pt) -baserede katalysatorer viser fremragende ydeevne i brændselscelleelektrodereaktioner. Single-atom Pt-katalysatorer er interessante på grund af deres unikke funktionalitet. Imidlertid, ved høje temperaturer, Pt -atomerne er ikke stabile og agglomererer let. Derfor, Pt single-atom katalysatorer er kun blevet brugt i lavtemperatur brændselsceller, ligesom brændselsceller af polymerelektrolytmembraner, der bruges til brintelektriske køretøjer.

Et forskerhold har nu udviklet en katalysator, der kun kræver en lille mængde platin til en væsentlig forbedring af ydeevnen, og kan fungere stabilt ved høje temperaturer. Dr. Kyung-Joong Yoon og forsker Ji-Su Shin fra Center for Energy Materials Research, sammen med professor Yun Jung Lee fra Hanyang University har udviklet en enkeltatom Pt-katalysator, der kan bruges til SOFC'er.

I deres forskning, hele platinatomer er jævnt fordelt og fungerer individuelt uden agglomerering, selv ved høje temperaturer. Det er blevet eksperimentelt vist at øge elektrodereaktionshastigheden med mere end 10 gange. Det kan også fungere i mere end 500 timer, selv ved høje temperaturer op til 700 grader Celsius og forbedrer elproduktionen og brintproduktionens ydeevne med tre til fire gange. Det forventes at fremskynde kommercialiseringen af ​​brændselsceller i fastoxid (SOFC'er), den næste generation af miljøvenlige brændselsceller.

KIST-Hanyang-universitetets forskerhold fremstillede single-atom-katalysatoren ved at kombinere platinatomer og cerium (Ce) oxid-nanopartikler. Hvert platinatom er individuelt spredt på overfladen af ​​ceriumoxid -nanopartiklerne, og den stærke binding opretholder atomernes spredte tilstand i lang tid, selv ved høje temperaturer, som tillader alle platinatomer at blive involveret i reaktionen. Dette gør det igen muligt at forbedre hastigheden af ​​elektrodereaktionen væsentligt, mens mængden af ​​platin, der anvendes, minimeres.

Til fremstilling, en opløsning indeholdende platin- og ceriumioner injiceres i elektroden i SOFC, og katalysatorerne syntetiseres, mens brændselscellen fungerer ved en høj temperatur. Fordi injektionen i elektroden let kan udføres uden specielt udstyr, den nyudviklede katalysator kan let påføres eksisterende brændselscellefremstillingsprocesser.

Dr. Kyung-Joong Yoon fra KIST sagde:"Katalysatoren, der blev udviklet i denne undersøgelse, kan anvendes på en lang række brændselsceller i fastoxid og elektrokemiske apparater ved høj temperatur ved hjælp af en let og enkel billig proces, så det forventes at fremskynde udviklingen af ​​næste generations miljøvenlige energiproduktion og energilagringsenheder. Baseret på det faktum, at enkeltatomskatalysatoren kan fungere stabilt, selv ved 700 grader Celsius eller højere, dets applikationsfelter vil blive stærkt udvidet, herunder termokemiske reaktioner ved høj temperatur og elektrokemiske reaktioner ved høj temperatur. "