Touch of gold forbedrer nanopartikel brændselscellereaktioner

Fremskridt inden for brændselscelleteknologi er blevet forhindret af utilstrækkeligheden af ​​metaller, der er undersøgt som katalysatorer. Ulempen ved platin, andet end omkostninger, er, at det absorberer kulilte i reaktioner, der involverer brændselsceller drevet af organiske materialer som myresyre. Et mere nyligt testet metal, palladium, bryder sammen over tid.

Nu har kemikere ved Brown University skabt en tredobbelt metallisk nanopartikel, som de siger udkonkurrerer og overlever alle andre i anodeenden i myresyre-brændselscellereaktioner. I et papir udgivet i Journal of the American Chemical Society , forskerne rapporterer en 4-nanometer jern-platin-guld nanopartikel (FePtAu), med en tetragonal krystalstruktur, genererer højere strøm pr. masseenhed end nogen anden testet nanopartikelkatalysator. I øvrigt, den trimetalliske nanopartikel hos Brown klarer sig næsten lige så godt efter 13 timer, som den gjorde ved starten. Derimod en anden nanopartikelsamling testet under identiske forhold mistede næsten 90 procent af sin ydeevne på kun en fjerdedel af tiden.

"Vi har udviklet en myresyrebrændselscellekatalysator, der er den bedste, der er blevet skabt og testet indtil videre, " sagde Shouheng Sun, kemiprofessor ved Brown og tilsvarende forfatter på papiret. "Den har god holdbarhed samt god aktivitet."

Guld spiller en nøglerolle i reaktionen. Først, det fungerer som en slags samfundsorganisator, fører jern- og platinatomerne ind i pæne, ensartede lag i nanopartiklerne. Guldatomerne forlader så scenen, binding til den ydre overflade af nanopartikelsamlingen. Guld er effektivt til at sortere jern- og platinatomerne, fordi guldatomerne skaber ekstra plads i nanopartikelkuglen i starten. Når guldatomerne diffunderer fra rummet ved opvarmning, de skaber mere plads til, at jern- og platinatomerne kan samle sig. Guld skaber den krystallisation, kemikere ønsker i nanopartikelsamlingen ved lavere temperatur.

Guld fjerner også kulilte (CO) fra reaktionen ved at katalysere dens oxidation. Carbonmonoxid, andet end at være farlig at trække vejret, binder godt til jern- og platinatomer, hæmmer reaktionen. Ved i det væsentlige at skrubbe det fra reaktionen, guld forbedrer ydeevnen af ​​jern-platin-katalysatoren. Holdet besluttede at prøve guld efter at have læst i litteraturen, at guldnanopartikler var effektive til at oxidere kulilte - så effektive, faktisk, at guldnanopartikler var blevet inkorporeret i japanske brandmænds hjelme. Ja, Brown-teamets tredobbelte metalliske nanopartikler fungerede lige så godt til at fjerne CO i oxidationen af ​​myresyre, selvom det er uklart specifikt hvorfor.

Forfatterne fremhæver også vigtigheden af ​​at skabe en ordnet krystalstruktur for nanopartikelkatalysatoren. Guld hjælper forskere med at få en krystalstruktur kaldet "ansigtscentreret-tetragonal, "en firesidet form, hvor jern- og platinatomer i det væsentlige er tvunget til at indtage specifikke positioner i strukturen, skabe mere orden. Ved at indføre atomorden, jern- og platinlagene binder sig tættere i strukturen, dermed gøre samlingen mere stabil og holdbar, afgørende for bedre ydende og længerevarende katalysatorer.

I eksperimenter, FePtAu-katalysatoren nåede 2809,9 mA/mg Pt (masseaktivitet, eller strøm genereret pr. milligram platin), "som er den højeste blandt alle NP (nanopartikel) katalysatorer, der nogensinde er rapporteret, " skriver Brown-forskerne. Efter 13 timer, FePtAu nanopartikler har en masseaktivitet på 2600mA/mg Pt, eller 93 procent af dens oprindelige ydeevneværdi. Sammenlignet med, forskerne skriver, den velmodtagne platin-vismut nanopartikel har en masseaktivitet på omkring 1720mA/mg Pt under identiske eksperimenter, og er fire gange mindre aktiv, når den måles for holdbarhed.

Forskerne bemærker, at andre metaller kan erstatte guld i nanopartikelkatalysatoren for at forbedre katalysatorens ydeevne og holdbarhed.

"Denne meddelelse præsenterer en ny strukturkontrolstrategi til at tune og optimere nanopartikelkatalyse til brændstofoxidationer, " skriver forskerne.

Sen Zhang, en tredjeårs kandidatstuderende i Suns laboratorium, hjulpet med nanopartikeldesign og syntese. Shaojun Guo, en postdoc i Suns laboratorium udførte elektrokemiske oxidationsforsøg. Huiyuan Zhu, en andenårs kandidatstuderende i Suns laboratorium, syntetiserede FePt-nanopartiklerne og kørte kontroleksperimenter. Den anden bidragende forfatter er Dong Su fra Center for Functional Nanomaterials ved Brookhaven National Laboratory, der analyserede strukturen af ​​nanopartikelkatalysatoren ved hjælp af de avancerede elektronmikroskopifaciliteter der.