En papirvægt til platin:Afstivning af katalysator i materiale får brændselscellekomponenten til at fungere bedre, hold længere

En ny kombination af nanopartikler og grafen resulterer i et mere holdbart katalytisk materiale til brændselsceller, ifølge arbejde offentliggjort i dag online på Journal of the American Chemical Society. Det katalytiske materiale er ikke kun hårdere, men også mere kemisk aktivt. Forskerne er overbeviste om, at resultaterne vil hjælpe med at forbedre brændselscelledesignet.

"Brændselsceller er et vigtigt område inden for energiteknologi, men omkostninger og holdbarhed er store udfordringer, " sagde kemiker Jun Liu. "Den unikke struktur af dette materiale giver tiltrængt stabilitet, god elektrisk ledningsevne og andre ønskede egenskaber."

Liu og hans kolleger ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, Princeton University i Princeton, N.J., og Washington State University i Pullman, Vask., kombineret grafen, en et-atom-tyk bikube af kulstof med praktiske elektriske og strukturelle egenskaber, med metaloxid-nanopartikler for at stabilisere en brændselscellekatalysator og gøre den bedre tilgængelig til at udføre sit arbejde.

"Dette materiale har et stort potentiale til at gøre brændselsceller billigere og holde længere, " sagde den katalytiske kemiker Yong Wang, som har en fælles aftale med PNNL og WSU. "Arbejdet kan også give lektioner for at forbedre ydeevnen af ​​andre kulstofbaserede katalysatorer til en bred vifte af industrielle anvendelser."

Muskel metaloxid

Brændselsceller virker ved kemisk at nedbryde ilt og brintgasser for at skabe en elektrisk strøm, producerer vand og varme i processen. Brændselscellens midtpunkt er den kemiske katalysator - normalt et metal som platin - der sidder på en støtte, der ofte er lavet af kulstof. Et godt støttemateriale spreder platinet jævnt over dets overflade for at maksimere overfladearealet, hvormed det kan angribe gasmolekyler. Det er også elektrisk ledende.

Brændselscelleudviklere bruger oftest sort kulstof - tænk blyantbly - men platinatomer har en tendens til at klumpe sig på sådan kulstof. Ud over, vand kan nedbryde kulstoffet væk. En anden støttemulighed er metaloxider - tænk rust - men hvad metaloxider opvejer i stabilitet og katalysatorspredning, de mister i ledningsevne og let syntese. Andre forskere er begyndt at udforske metaloxider i forbindelse med kulstofmaterialer for at få det bedste fra begge verdener.

Som kulstofstøtte, Liu og hans kolleger syntes grafen var spændende. Honeycomb gitteret af grafen er porøst, elektrisk ledende og giver meget plads til platinatomer til at arbejde. Først, holdet krystalliserede nanopartikler af metaloxidet kendt som indiumtinoxid - eller ITO - direkte på specielt behandlet grafen. Derefter tilføjede de platinnanopartikler til grafen-ITO og testede materialerne.

Platinvægt

Holdet så materialerne under højopløsningsmikroskoper på EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus. Billederne viste, at uden ITO, platinatomer klumpet sig sammen på grafenoverfladen. Men med ITO, platinet bredte sig pænt ud. Disse billeder viste også katalytisk platin klemt fast mellem nanopartiklerne og grafenoverfladen, med nanopartiklerne delvist siddende på platinet som en papirvægt.

For at se, hvor stabilt dette arrangement var, holdet udførte teoretiske beregninger af molekylære interaktioner mellem grafen, platin og ITO. Denne tal-knas på EMSL's Chinook supercomputer viste, at trekanten var mere stabil end metaloxidet alene på grafen eller katalysatoren alene på grafen.

Men stabilitet gør ingen forskel, hvis katalysatoren ikke virker. I test for, hvor godt materialerne nedbryder ilt, som de ville i en brændselscelle, den tredobbelte trussel pakkede omkring 40 % mere af en væg end katalysatoren alene på grafen eller katalysatoren alene på andre kulstofbaserede bærere såsom aktivt kul.

Sidst, holdet testede, hvor godt det nye materiale tåler gentagen brug ved kunstigt at ælde det. Efter aldring, det tredelte materiale viste sig at være tre gange så holdbart som den eneste katalysator på grafen og dobbelt så holdbart som på almindeligt anvendt aktivt kul. Korrosionstest afslørede, at den tredobbelte trussel var mere modstandsdygtig end de andre testede materialer.

Holdet inkorporerer nu platin-ITO-grafen-materialet i eksperimentelle brændselsceller for at bestemme, hvor godt det fungerer under virkelige forhold, og hvor længe det varer.