Een factor die het wijdverbreide gebruik van milieuvriendelijke waterstofbrandstofcellen in auto's tegenhoudt, vrachtwagens en andere voertuigen zijn de kosten van de platinakatalysatoren die de cellen laten werken. Een manier om minder kostbaar platina te gebruiken is om het te combineren met andere goedkopere metalen, maar die legeringskatalysatoren hebben de neiging om snel af te breken in brandstofcelomstandigheden.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van Brown University hebben een nieuwe legeringskatalysator ontwikkeld die zowel het gebruik van platina vermindert als goed standhoudt bij het testen van brandstofcellen. De katalysator, gemaakt van het legeren van platina met kobalt in nanodeeltjes, bleek de doelstellingen van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) voor het jaar 2020 te verslaan, zowel wat betreft reactiviteit als duurzaamheid, volgens tests beschreven in het tijdschrift Joule .

"De duurzaamheid van legeringskatalysatoren is een groot probleem in het veld, " zei Junrui Li, een afgestudeerde student scheikunde aan Brown en de hoofdauteur van de studie. "Het is aangetoond dat legeringen aanvankelijk beter presteren dan puur platina, maar in de omstandigheden in een brandstofcel wordt het niet-edele metalen deel van de katalysator geoxideerd en zeer snel uitgeloogd."

Om dit uitlogingsprobleem aan te pakken, Li en zijn collega's ontwikkelden legeringsnanodeeltjes met een gespecialiseerde structuur. De deeltjes hebben een buitenste schil van zuiver platina die een kern omringt die is gemaakt van afwisselende lagen platina- en kobaltatomen. Die gelaagde kernstructuur is de sleutel tot de reactiviteit en duurzaamheid van de katalysator, zegt Shouheng Sun, hoogleraar scheikunde bij Brown en senior auteur van het onderzoek.

"De gelaagde rangschikking van atomen in de kern helpt het platinarooster in de buitenste schil gladder en strakker te maken, " zei Sun. "Dat verhoogt de reactiviteit van het platina en beschermt tegelijkertijd de kobaltatomen tegen wegvreten tijdens een reactie. Daarom presteren deze deeltjes zoveel beter dan legeringsdeeltjes met willekeurige rangschikkingen van metaalatomen."

De details van hoe de geordende structuur de activiteit van de katalysator verbetert, worden kort beschreven in de Joule papier, maar meer specifiek in een afzonderlijk computermodelleringsdocument gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica . Het modellenwerk werd geleid door Andrew Peterson, een universitair hoofddocent aan de Brown's School of Engineering, die ook co-auteur was van de Joule papier.

Voor het experimentele werk, de onderzoekers testten het vermogen van de katalysator om de zuurstofreductiereactie uit te voeren, wat cruciaal is voor de prestaties en duurzaamheid van de brandstofcel. Aan de ene kant van een protonenuitwisselingsmembraan (PEM) brandstofcel, elektronen die zijn ontdaan van waterstofbrandstof creëren een stroom die een elektromotor aandrijft. Aan de andere kant van de cel, zuurstofatomen nemen die elektronen op om het circuit te voltooien. Dat gebeurt via de zuurstofreductiereactie.

Uit de eerste tests bleek dat de katalysator goed presteerde in de laboratoriumomgeving, beter presteren dan een meer traditionele platinalegeringskatalysator. De nieuwe katalysator behield zijn activiteit na 30, 000 spanningscycli, terwijl de prestaties van de traditionele katalysator aanzienlijk terugliepen.

Maar hoewel laboratoriumtests belangrijk zijn om de eigenschappen van een katalysator te beoordelen, zeggen de onderzoekers, ze laten niet noodzakelijk zien hoe goed de katalysator zal presteren in een echte brandstofcel. De brandstofcelomgeving is veel heter en verschilt in zuurgraad in vergelijking met laboratoriumtestomgevingen, die de afbraak van de katalysator kan versnellen. Om erachter te komen hoe goed de katalysator zou standhouden in die omgeving, de onderzoekers stuurden de katalysator naar het Los Alamos National Lab om te testen in een echte brandstofcel.

Uit de tests bleek dat de katalysator de doelstellingen overtreft die zijn vastgesteld door het Department of Energy (DOE) voor zowel initiële activiteit als duurzaamheid op langere termijn. DOE heeft onderzoekers uitgedaagd om tegen 2020 een katalysator te ontwikkelen met een initiële activiteit van 0,44 ampère per milligram platina. en een activiteit van ten minste 0,26 ampère per milligram na 30, 000 spanningscycli (ongeveer gelijk aan vijf jaar gebruik in een brandstofcelvoertuig). Testen van de nieuwe katalysator toonde aan dat deze een aanvankelijke activiteit had van 0,56 ampère per milligram en een activiteit na 30, 000 cycli van 0,45 ampère.

"Ook na 30, 000 cycli, onze katalysator overschreed nog steeds het DOE-doel voor initiële activiteit, " zei Sun. "Dat soort prestaties in een echte brandstofcelomgeving is echt veelbelovend."

De onderzoekers hebben een voorlopig patent aangevraagd op de katalysator, en ze hopen het te blijven ontwikkelen en verfijnen.