De simulaties van wetenschappers van Purdue University hebben het mysterie ontrafeld van een nieuwe elektrokatalysator die een aanzienlijk probleem in verband met brandstofcellen en elektrolyzers zou kunnen oplossen.

Brandstofcellen, die chemische reacties gebruiken om energie te produceren, en elektrolyse, die energie omzetten in waterstof of andere gassen, gebruik elektrokatalysatoren om chemische reacties te bevorderen. Elektrokatalysatoren die dergelijke reacties kunnen activeren, zijn meestal onstabiel omdat ze kunnen corroderen in de zeer zure of basische wateroplossingen die worden gebruikt in brandstofcellen of elektrolyzers.

Een team onder leiding van Jeffrey Greeley, een universitair hoofddocent chemische technologie, heeft de structuur geïdentificeerd voor een elektrokatalysator gemaakt van nikkel nano-eilanden afgezet op platina die zowel actief als stabiel is. Dit ontwerp creëerde eigenschappen in het nikkel waarvan Greeley zei dat ze onverwacht maar zeer gunstig waren.

"De reacties leidden tot zeer stabiele structuren die we niet zouden voorspellen door alleen naar de eigenschappen van nikkel te kijken, "Zei Greeley. "Het bleek nogal een verrassing te zijn."

Het team van Greeley en medewerkers van het Argonne National Laboratory hadden gemerkt dat nikkel op een platinasubstraat potentieel als elektrokatalysator vertoonde. Het lab van Greeley ging vervolgens aan de slag om uit te zoeken hoe een elektrokatalysator met deze samenstelling zowel actief als stabiel kon zijn.

Het team van Greeley simuleerde verschillende diktes en diameters van nikkel op platina, evenals spanningen en pH-niveaus in de cellen. Door nikkel slechts één of twee atoomlagen in dikte en één tot twee nanometer in diameter te plaatsen, creëerden ze de gewenste omstandigheden.

"Het zijn net kleine nikkeleilandjes die op een zee van platina zitten, ' zei Greeley.

De ultradunne laag nikkel is de sleutel, Greeley zei, want op het punt waar de twee metalen samenkomen, vindt alle elektrochemische activiteit plaats. En aangezien er maar één of twee atoomlagen van nikkel zijn, bijna alles reageert met het platina. Dat zorgt niet alleen voor de benodigde katalyse, maar verandert het nikkel zodanig dat het niet oxideert, zorgen voor de stabiliteit.

Medewerkers van Argonne analyseerden vervolgens de nikkel-platinastructuur en bevestigden de eigenschappen die Greeley en zijn team van de elektrokatalysator verwachtten.

Volgende, Greeley is van plan soortgelijke constructies te testen met verschillende metalen, zoals het vervangen van platina door goud of het nikkel door kobalt, evenals het wijzigen van de pH en spanningen. Hij gelooft dat er andere, meer stabiele en actieve combinaties kunnen worden gevonden met behulp van zijn computationele analyse.

De studie is gepubliceerd in Natuur Energie .