Nanokrystalkatalysator omdanner urent brint til elektricitet

(Phys.org) – Jagten på at udnytte brint som fremtidens rentbrændende brændstof kræver de perfekte katalysatorer – maskiner i nanoskala, der forbedrer kemiske reaktioner. Forskere skal justere atomstrukturer for at opnå en optimal balance af reaktivitet, holdbarhed, og syntese i industriel skala. I en spirende katalysegrænse, forskere søger også nanopartikler, der er tolerante over for kulilte, en forgiftende urenhed i brint afledt af naturgas. Dette urene brændstof - 40 procent billigere end det rene brint fremstillet af vand - forbliver stort set uudnyttet.

Nu, forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory - i forskning offentliggjort online 18. september, 2013 i bladet Naturkommunikation —har skabt en højtydende nanokatalysator, der opfylder alle disse krav. Den nye kerne-skal struktur - ruthenium belagt med platin - modstår skader fra kulilte, da den driver de energiske reaktioner, der er centrale for elektriske køretøjers brændselsceller og lignende teknologier.

"Disse nanopartikler udviser perfekt atomar orden i både ruthenium og platin, overvinde strukturelle defekter, der tidligere lammede kulilte-tolerante katalysatorer, " sagde studiemedforfatter og Brookhaven Lab-kemiker Jia Wang. "Vores meget skalerbare, 'grøn' syntesemetode, som afsløret af billeddannelsesteknikker på atomare skala, åbner nye og spændende muligheder for katalyse og bæredygtighed."

Fremstilling af krystaller med atomisk perfektion

Katalysatorer inde i brændselsceller frigør brintmolekylernes iboende energi og omdanner den til elektricitet. Platin klarer sig usædvanligt godt med rent brintbrændstof, men metallets høje omkostninger og sjældenhed hæmmer dets udbredte anvendelse. Ved at belægge billigere metaller med tynde lag platinatomer, imidlertid, videnskabsmænd kan bevare reaktiviteten, mens de reducerer omkostningerne og skaber kerne-skal-strukturer med overlegne præstationsparametre.

Kulilteurenhederne i brint dannet af naturgas udgør en anden udfordring for videnskabsmænd, fordi de deaktiverer de fleste platinkatalysatorer. Ruthenium - billigere end platin - fremmer kuliltetolerance, men er mere tilbøjelig til opløsning under brændselscellers opstart/nedlukning, forårsager gradvist nedsat ydeevne.

"Vi satte os for at beskytte rutheniumkerner mod opløsning med komplette platinskaller på kun et eller to atomer tykke, " sagde Wang. "Tidligere overfladevidenskabelige undersøgelser afslørede bemærkelsesværdig variation af overfladeegenskaber i denne kerne-skal-konfiguration, antyder behovet og muligheden for at perfektionere opskriften med præcis kontrol."

Der var tvivl om, hvorvidt en højt ordnet rutheniumkerne overhovedet var mulig med en platinskal - tidligere syntetiserede nanopartikler udviste en svækket krystalstruktur i rutheniumet.

"Heldigvis vi fandt ud af, at tabet af rutheniumstruktur skyldtes defektmedieret diffusion mellem lag, som kan undgås, " sagde Wang. "Ved at eliminere eventuelle gitterdefekter i ruthenium-nanopartikler før tilsætning af platin, vi bevarede det afgørende, diskret atomstruktur af hvert element."

Den skalerbare og billige syntesemetode bruger ethanol - et almindeligt og billigt opløsningsmiddel - som reduktionsmiddel til at fremstille nanopartikelkernen og skallen. Den sofistikerede proces kræver ingen andre organiske midler eller metalskabeloner.

"Du skal blot justere temperaturen, vand, og surhedsgraden af ​​opløsningerne gav os fuldstændig kontrol over processen og gav bemærkelsesværdigt ensartet ruthenium-nanopartikelstørrelse og ensartet platinbelægning, " sagde Brookhaven Lab kemiker Radoslav Adzic, en anden medforfatter på undersøgelsen. "Denne enkelhed giver høj reproducerbarhed og skalerbarhed, og det demonstrerer det klare kommercielle potentiale i vores metode."

Karakterisering af kerne-skal

"Vi tog de færdige katalysatorer til andre faciliteter her på laboratoriet for at afsløre de nøjagtige detaljer om atomstrukturen, " sagde Wang. "Denne form for hurtigt samarbejde er kun muligt, når du arbejder lige ved siden af ​​eksperter og instrumenter i verdensklasse."

Forskere ved Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source (NSLS) afslørede atomtætheden, fordeling, og ensartethed af metallerne i nanokatalysatorerne ved hjælp af en teknik kaldet røntgendiffraktion, hvor højfrekvent lys spredes og bøjes efter interaktion med individuelle atomer. Samarbejdet brugte også et scanningstransmissionselektronmikroskop (STEM) ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) til at lokalisere de forskellige sub-nanometer atommønstre. Med dette instrument, en fokuseret stråle af elektroner bombarderede partiklerne, skabe et kort over både kerne- og skalstrukturer.

"Vi fandt ud af, at elementerne ikke blandede sig ved kerne-skal-grænsen, hvilket er et kritisk skridt, " sagde CFN-fysiker Dong Su, medforfatter og STEM-specialist. "Atomordenen i hvert element, kombineret med de rigtige teoretiske modeller, fortæller os om, hvordan og hvorfor den nye nanokatalysator virker sin magi."

At bestemme den ideelle funktionelle konfiguration for kernen og skallen krævede også brugen af ​​CFN's ekspertise inden for beregningsvidenskab. Med density functional theory (DFT) beregninger, computeren hjælper med at identificere den mest energimæssigt stabile platin-ruthenium struktur.

"DFT-analysen forbinder prikkerne mellem ydeevne og konfiguration, og det bekræfter vores direkte observationer fra røntgendiffraktion og elektronmikroskopi, " sagde Adzic.

Opdagelse til implementering

Ballard Power Systems, en virksomhed dedikeret til produktion af brændselsceller, uafhængigt evalueret ydeevnen af ​​de nye kerne-skal nanokatalysatorer. Udover at teste lavplatinkatalysatorernes høje aktivitet i rent brint, Ballard kiggede specifikt på modstanden over for kulilte i uren brintgas og opløsningsmodstanden under opstarts-/nedlukningscyklusser. Tolags nanokatalysatoren udviste høj holdbarhed og forbedret kuliltetolerance - kombinationen muliggør brugen af ​​urent brint uden stort tab i effektivitet eller stigning i katalysatoromkostninger.

Nanokatalysatoren klarede sig også godt i at producere brintgas gennem hydrogenudviklingsreaktionen, fører til endnu et industrielt partnerskab. Proton onsite, en virksomhed, der er specialiseret i at spalte brint fra vand og andre lignende processer, har gennemført gennemførlighedstest for at implementere teknologien i deres produktion af vandelektrolysatorer, som nu vil kræve omkring 98 procent mindre platin.

"Vandelektrolysatorer er allerede på markedet, så denne nanokatalysator kan implementeres hurtigt, " sagde Wang. "Når brintbrændselscellekøretøjer ruller ud i de kommende år, denne nye struktur kan accelerere udviklingen ved at reducere omkostningerne til både metalkatalysatorer og brændstof."