Forskere bruger nyt nyt kobolt-modificeret nanomateriale til at gøre brændselsceller mere robuste og bæredygtige

Der er et presserende behov for at håndtere klimaændringer, hvilket gør udviklingen af ​​bæredygtige energialternativer vigtigere end nogensinde. Mens proton-udvekslingsmembranbrændselsceller (PEMFC'er) har vist sig meget lovende for energiproduktion, især i transportindustrien, er der et langvarigt problem med deres holdbarhed og omkostninger.

Et vestligt forskerhold har behandlet problemet med et nyt koboltmodificeret nanomateriale, der gør PEMFC'er mere robuste, let fremskaffede og miljømæssigt bæredygtige, hvilket viser blot et tab på to procent i effektivitet efter 20.000 cyklusser i en holdbarhedstest.

Det nye nanomateriale bruges til at forbedre oxygenreduktionsreaktionen (ORR), den proces, der danner vand i brændselscellen, hvilket tillader en højere strøm for mere effektiv elproduktion. Det kobolt-modificerede nanomateriale reducerer også afhængigheden af ​​platin til at konstruere disse brændselsceller. Et kostbart ædelmetal, der primært udvindes i Sydafrika, produceres kun et par hundrede tons platin årligt.

Tsun-Kong (T.K.) Sham, Xueliang (Andy) Sun, Ali Feizabadi og deres samarbejdspartnere ved Westerns afdeling for kemi og vestlig teknik introducerede den nye kobolt-modificerede ORR-katalysator i The Journal of Physical Chemistry C.

"Avancerede tilgange, herunder legering af platin med andre overgangsmetaller og fremstilling af kerne-skal strukturer, præsenterer spændende muligheder ved at reducere efterspørgslen efter platin i brændselsceller og samtidig opretholde exceptionel katalytisk aktivitet," sagde Sham, Canada Research Chair in Materials and Synchrotron Radiation. og en seniorforfatter på undersøgelsen. "Men på trods af betydelige fremskridt forbliver akilleshælen disse katalysatorers holdbarhed på grund af iboende ustabile strukturer."

Sham og Sun-teamet brugte en metode kaldet 'cobalt-doping' til at modificere overfladen og overfladenære områder af platin-palladium kerne-skal nanopartikler.

"Doping er praksis med at introducere meget små mængder af særlige fremmede atomer i den krystallinske struktur af en nanopartikel for at ændre dens elektroniske egenskaber. Disse fremmede atomer omtales som dopanter," siger Feizabadi, en tidligere forskningsanalytiker i Sham-forskningsgruppen og hovedforfatter af undersøgelsen.

De nye kobolt-doterede nanopartikler demonstrerer enestående stabilitet og tåler kun et tab på to procent i indledende aktivitet efter en "opslidende" 20.000 cyklusser af en accelereret holdbarhedstest, der bruges til at få dybere indsigt i katalysatorers nedbrydningsmekanismer i kontrollerede laboratoriemiljøer.

"Dette understreger kobolts bemærkelsesværdige rolle i at forbedre den katalytiske aktivitet og forstærke katalysatorens strukturelle integritet," sagde Sham, en global leder inden for udvikling af nye røntgenspektroskopiske teknikker.

For at få en bedre forståelse af katalysatorens adfærd og sammensætning studerede forskerholdet de nye nanopartikler ved hjælp af Hard X-ray Micro-Analysis Beamline ved Canadian Light Source, Canadas nationale synkrotronlyskildefacilitet ved University of Saskatchewan.

Nanopartiklerne blev også analyseret ved Advanced Photon Source i Lemont, Illinois og Taiwan Photon Source til undersøgelsen.

"Disse kobolt-doterede nanopartikler lover enormt meget som yderst effektive og holdbare ORR-katalysatorer, der repræsenterer et betydeligt fremskridt inden for brændselscelleteknologi," sagde Sun, Western Engineering-professor og førende ekspert i nanomaterialer og ren energi.

"Denne omfattende tilgang kaster nyt lys over katalysatoradfærd og struktur og bringer os et skridt tættere på bæredygtige energiløsninger."

Flere oplysninger: Ali Feizabadi et al, Cobalt-Doped Pd@Pt Core–Shell Nanopartikler:A Correlative Study of Electronic Structure and Catalytic Activity in ORR, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c04274

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry C

Leveret af University of Western Ontario