Den næste store ting:Hvordan bringer videnskabsmænd brintbrændselsceller fra laboratoriet til det offentlige liv?

Brændselsceller vinder på grund af deres høje effektivitet og miljøvenlige egenskaber i processen med elproduktion, popularitet til produktion af brændselscelle køretøjer (FCV), såsom biler, gaffeltrucks, busser og fly. Imidlertid udelukker den dyre karakter af at producere brændselscellekatalysatorer masseproduktion og storstilet anvendelse af FCV'er.

Brændselscellekatalysatorer er sædvanligvis lavet af platin (Pt) eller Pt-legeringer med overgangsmetaller tyndt belagt på de porøse kulstofbærere. Platin er et ideelt katalytisk materiale, da det kan modstå de sure forhold og øge hastigheden af ​​kemiske reaktioner effektivt. Det er dog dyrt og har utilstrækkelige ressourcereserver. Derfor er det bydende nødvendigt at udvikle og screene nye katalysatorer med lav Pt-mængde og høj katalytisk aktivitet til kommercialisering af brændselsceller.

I en videnskab papir offentliggjort den 22. oktober rapporterede forskere ved University of Science and Technology of China (USTC) fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS) en svovlforankringsmetode til højtemperatur, med succes syntetiseret lille størrelse Pt intermetallisk nanopartikel (dvs. -NP) katalysatorer med ultralav Pt-belastning og høj masseaktivitet. De etablerede også i-NP-biblioteker, herunder 46 typer Pt-nanopartikler (NP'er) for at screene billige og holdbare elektrodematerialer samt udforske struktur-aktivitetsrelationer for i-NP'er systematisk.

I-NP'er har tiltrukket bred opmærksomhed på grund af deres unikke atomisk ordnede egenskaber og fremragende katalytiske ydeevne i mange kemiske reaktioner. Imidlertid er uundgåelig metalsintring ved høj temperatur uønsket under syntesen af ​​i-NP'er, da det vil føre til større krystallitter. Det resulterer således i et reduceret specifikt overfladeareal og lavere katalytiske aktiviteter af materialerne og reducerer i sidste ende udnyttelsesgraden af ​​Pt, hvilket i høj grad øger omkostningerne ved brændselsceller.

Forskerholdet, ledet af Liang Haiwei, udnyttede genialt stærk Pt-svovl kemisk interaktion. De fremstillede Pt-intermetalliske materialer på svovl-doteret kulstof (S-C) understøtninger for at undertrykke NP'er sintring ved høje temperaturer, og de var i stand til at opnå atomisk ordnede i-NP'er med en gennemsnitlig størrelse på <5 nm. S-C-understøtninger viste fremragende anti-sintringsevne, og forskere opnåede Pt NP'er med gennemsnitsdiameteren stadig <5 nm efter udglødning ved høje temperaturer op til 1000 C. Alvorlig Pt-sintring blev dog observeret efter den samme udglødningsproces på kommercielle carbon black-understøtninger.

For at drage fordel af anti-sintringsegenskaben syntetiserede forskere 46 typer af små Pt-baserede i-NP'er på S-C-understøtter og etablerede i-NP-biblioteker. Spektral karakteriseringer blev målt, og resultaterne bekræftede de stærke kemiske interaktioner af Pt-S-bindinger. Desuden viste resultaterne af røntgendiffraktion (XRD) en høj ordensgrad og lille størrelse af i-NP-katalysatorer i biblioteker, i overensstemmelse med den statistiske analyse af højvinklet ringformet mørkfelt-scanningstransmissionselektronmikroskopi (HAADF-STEM) observationer.

"Baseret på i-NP-bibliotekerne kan vi systematisk studere forholdet mellem struktur og ydeevne af katalysatorer," sagde Liang, "og tilstrækkelige prøver hjalp os med at udskille effektive katalysatorer, som forventedes i vid udstrækning at reducere omkostningerne ved brændselsceller." Forskere screenede i-NP'er og anvendte dem til protonudvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er). Disse katalysatorer udviste fremragende elektrokatalytisk ydeevne til oxygenreduktionsreaktion (ORR). Især i H₂ -air PEMFC, selvom Pt-belastningen af ​​i-NP'er var 11,5 gange lavere end Pt/C-katodens, viste i-NP-katalysatorernes katoder samme evne som Pt/C-katoden.

Dette arbejde giver en universel måde for syntesen af ​​Pt-legeringskatalysatorer, der anvendes i brintbrændselsceller. Denne metode vækker håb om at reducere mængden af ​​Pt, der bruges, og derved reducere omkostningerne til brændselsceller. "Ved at konstruere de porøse strukturer og overfladefunktioner af kulstofunderstøtninger kan effektiviteten af ​​brændselsceller forbedres yderligere og dermed accelerere deres overførsel fra laboratoriet til offentligheden," sagde Liang.