En innovativ katalysator med nanopartikler som anodemateriale i ethanolbrændselsceller

Forskere, der arbejder ved afdelingen for funktionelle nanomaterialer ved Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi, designede og syntetiserede en funktionel ternær Pt/Re/SnO ₂ /C-katalysator som et anodemateriale i en direkte ethanolbrændselscelle. Det var muligt ved at syntetisere platin, rhenium- og tinoxidnanopartikler af sfærisk form og sikre fysisk kontakt mellem dem. Denne opdagelse vil føre til produktion af mere effektive, grønnere og billigere brændselscellekatalysatorer.

En af de største udfordringer moderne videnskab står over for i dag er udviklingen af ​​nye, effektive og miljøvenlige teknologier til at omdanne kemisk energi til elektricitet. Ethanol brændselsceller er ved at blive sådan en alternativ energikilde. Ethanol ser ud til at være fremtidens ideelle brændstof, fordi, sammenlignet med methanol eller brint, det har betydeligt lavere toksicitet, udgør ingen problemer eller trusler ved opbevaring og transport, og kan også fås fra biomasse. Imidlertid, katalysatorerne, der anvendes i direkte ethanolbrændselsceller (DEFC'er), er ikke tilstrækkeligt effektive og producerer hovedsageligt biprodukter i stedet for det forventede ethanol-slutprodukt, såsom kuldioxid. Disse stoffer adsorberer kraftigt på overfladen af ​​platin, som er den mest brugte katalysator. Som resultat, de blokerer de katalytisk aktive steder og forhindrer en yderligere reaktion, derved forårsager såkaldt katalysatorforgiftning og sænker den samlede effektivitet af enheden. Derfor, den centrale udfordring er at udvikle den passende type katalysatorer.

Platin- og platinbaserede katalysatorer anvendes i vid udstrækning i DEFC'er. Ethanoladsorption sker på platinoverfladen, som udløser dens oxidationsreaktion (Ethanol Oxidation Reaction—EOR). Forgiftningsproblemer kan løses ved at tilføje andre komponenter til platin, såsom metalliske rhodium- og tinoxider, som forbedrer effektiviteten af ​​EOR, fordi de spiller en unik og individuel rolle i ethanoloxidationsvejen. Rhodiums funktion er at spalte carbon-carbon-bindingen i ethanolmolekylet, mens tindioxid giver hydroxylgrupper til oxidering af mellemprodukter og hjælper med at fjerne blokeringen af ​​den inaktive overflade af platin. Ud over rhodium og tin, elementer som Ru, Ir, Cu, Fe, Co, Ni og mange andre bruges også. En ternær nanokatalysator indeholdende platin og rhodium nanolegeringer aflejret på tinoxid, som i øjeblikket betragtes som en af ​​de mest effektive og selektive konfigurationer i ethanoloxidationsreaktionen, er også blevet grundigt undersøgt. Det foreslås også, at fysisk kontakt mellem nanopartikler spiller en afgørende rolle.

Forskere fra afdelingen for funktionelle nanomaterialer ved Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi, ledet af prof. Eng. Magdalena Parlinska-Wojtan, påtog sig opgaven med at designe og syntetisere et nyt materiale, som kunne spille rollen som en anodekatalysator. Til dette formål, de besluttede at analysere effekten af ​​rhenium, bruges som en af ​​de tre katalysatorkomponenter, om at forbedre effektiviteten af ​​EOR. I øvrigt, forskerne antog, at ved at bruge intermolekylære interaktioner og elektrokinetiske potentialemålinger, det ville være muligt at samle den separat syntetiserede Pt, Re og SnO ₂ nanopartikler i dobbelte og tredobbelte kombinationer for at sikre deres fysiske kontakt. Denne samling er mulig på grund af de modsatte værdier af det elektrokinetiske potentiale for hver type nanopartikler. Mens du udfører stabilitetsundersøgelser, forskerne fokuserede også på katalysatorens holdbarhed, fordi nedbrydningen af ​​nanokatalysatorkomponenter er en alvorlig faktor, der begrænser stabiliteten og kommercialiseringen af ​​katalysatorer.

"I den første fase af vores arbejde, vi optimerede processerne til at opnå individuelle nanopartikler:platin, rhenium og tinoxid, som var beregnet til at være komponenterne i en anodekatalysator, " siger Dr. Eng. Elzbieta Drzymala fra IFJ PAN, den førende forfatter til den videnskabelige publikation, beskriver detaljerne i de gennemførte undersøgelser. "Derefter, ved hjælp af intermolekylære interaktioner, vi sætter individuelt syntetiserede nanopartikler sammen for at sikre fysisk kontakt mellem dem. På denne måde vi opnåede binære og ternære nanopartikelkombinationer, som derefter blev aflejret på kulstofsubstrater med jævn fordeling for at give ethanolmolekyler den bedste adgang til aktive overflader. Det næste trin var at studere de elektrokemiske egenskaber af udvalgte binære og ternære kombinationer givet deres potentielle anvendelse som anodemateriale i ethanolbrændselsceller. Endelig, vi sammenlignede resultaterne af vores arbejde med en kommerciel platinkatalysator."

De opnåede resultater viste sig at være meget vigtige og tilskyndede til yderligere forskning om denne type materialer. Katalysatoren udviklet af IFJ PAN-gruppen lavet af Pt, Re og SnO ₂ nanopartikler kan med succes bruges som en anodekatalysator i DEFC'er. Analyser udført med transmissionselektronmikroskopi (TEM) i kombination med EDS-spektroskopi bekræftede den fysiske kontakt mellem nanopartiklerne, der danner den ternære Pt/Re/SnO ₂ /C-katalysator (se figur). Det er eksperimentelt blevet bevist ved voltammetriske teknikker, at denne ternære katalysator udviser mere end ti gange højere aktivitet i ethanoloxidationsreaktionen sammenlignet med en kommerciel platinkatalysator. Udover, det har vist sig, at Pt/Re/SnO ₂ /C-katalysator har den bedste stabilitet - efter test, det bevarede næsten 96 % af den elektrokemisk aktive overflade (sammenlignet med 12 % for den kommercielle katalysator). Det er også vigtigt, at den ternære katalysator viser den laveste værdi af begyndelsespotentiale - værdien af ​​det indledende oxidationspotentiale er næsten 0,3 V lavere sammenlignet med en kommerciel platinkatalysator. Dermed, brugen af ​​rhenium som den tredje komponent og at forbinde nanopartikler på en sådan måde, at de forbliver i fysisk kontakt, genererede den ønskede effekt af at forbedre effektiviteten af ​​EOR.

"Vores yderligere forskning vil fortsat fokusere på brændselscellekatalysatorer, " forklarer Dr. Eng. Drzymala. "Men, gå et skridt videre, vi vil gerne løse de økonomiske problemer og udvikle et katalytisk system med bedre eller i det mindste sammenlignelige egenskaber, men uden tilsætning af platin. Jeg tror, ​​at brugen af ​​platinfrie nanopartikler dekoreret med små 2-nanometer SnO ₂ nanopartikler som komponenter i en sådan katalysator vil bringe os tættere på at skabe et fuldt funktionelt materiale til brændselscelleanoden. Jeg håber, at katalysatoren uden platin snart vil blive syntetiseret ved afdelingen for funktionelle nanomaterialer ved Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi."