In het journaal Wetenschap , Argonne-chemici hebben een nieuwe katalysator geïdentificeerd die de effectiviteit van platina maximaliseert.

Platina is een edelmetaal dat zeldzamer is dan zilver of goud. Bekend in de brandstofcelgemeenschap vanwege zijn doeltreffendheid bij het omzetten van waterstof en zuurstof in water en elektriciteit, platina biedt ongeëvenaarde activiteit en stabiliteit voor elektrochemische reacties.

Maar platina is zowel schaars als duur, wat betekent dat wetenschappers op zoek zijn naar praktische brandstofcelkatalysatoren die veel minder van het kostbare edelmetaal gebruiken.

In nieuw onderzoek van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), gepubliceerd in Wetenschap , wetenschappers hebben een nieuwe katalysator geïdentificeerd die slechts ongeveer een kwart zoveel platina gebruikt als de huidige technologie door de effectiviteit van het beschikbare platina te maximaliseren.

In een brandstofcel, platina wordt op twee manieren gebruikt:om waterstof om te zetten in protonen en elektronen, en om zuurstofbindingen te verbreken en uiteindelijk water te vormen. De laatste reactie, de zuurstofreductiereactie, vereist een bijzonder grote hoeveelheid platina, en wetenschappers hebben gezocht naar een manier om het platinagehalte in zuurstofreductiekatalysatoren te verminderen.

Wetenschappers van Argonne hebben nieuwe manieren gevonden om het gebruik van platina aanzienlijk te verbeteren. Eerst, ze hebben de vorm van het platina aangepast om de beschikbaarheid en reactiviteit in de katalysator te maximaliseren. In deze configuratie, een paar lagen pure platina-atomen bedekken een kobalt-platinalegering nanodeeltjeskern om een ​​kern-schaalstructuur te vormen.

"Als je in de eerste plaats maar een heel kleine hoeveelheid platina krijgt, je moet er optimaal gebruik van maken, " zei Argonne chemicus Di-Jia Liu, de corresponderende auteur van de studie. "Door een platina-kobalt kern-schaal legering te gebruiken, kunnen we een groter aantal katalytisch actieve deeltjes maken om zich over het katalysatoroppervlak te verspreiden, maar dit is slechts de eerste stap."

De kern-schaal nanodeeltjes op zichzelf kunnen nog steeds niet omgaan met een grote instroom van zuurstof wanneer de brandstofcel de elektrische stroom moet opdrijven. Om de efficiëntie van de katalysator te verhogen, Liu en zijn collega's vertrouwden op een andere benadering die ze goed kenden uit hun eerdere onderzoek, het produceren van een katalytisch actieve, platinagroep metaalvrij (PGM-vrij) substraat als drager voor de kobalt-platinalegering nanodeeltjes.

Met behulp van metaal-organische raamwerken als voorlopers, Liu en zijn collega's waren in staat om een ​​composietsubstraat van kobalt-stikstof-koolstof te maken waarin de katalytisch actieve centra uniform zijn verdeeld in de buurt van de platina-kobaltdeeltjes. Dergelijke actieve centra zijn in staat om zelf de zuurstofbindingen te verbreken en werken synergetisch samen met platina.

"Je kunt het zien als een moleculair voetbalteam, " zei Liu. "De kern-shell nanodeeltjes gedragen zich als defensieve lijnwachters die dun verspreid zijn over het veld, proberen te veel zuurstofmoleculen tegelijk aan te pakken. Wat we hebben gedaan is om het 'veld' zelf katalytisch actief te maken, in staat zijn om te helpen bij het aanpakken van zuurstof."

Zoals later bleek, de nieuwe gecombineerde katalysator verbeterde niet alleen de activiteit maar ook de duurzaamheid in vergelijking met elk van de componenten afzonderlijk.

Liu en zijn collega's hebben een gepatenteerd proces ontwikkeld waarbij eerst kobalthoudende metaal-organische raamwerken worden verwarmd. Naarmate de temperatuur stijgt, sommige van de kobaltatomen interageren met organische stoffen om een ​​PGM-vrij substraat te vormen, terwijl andere worden gereduceerd tot goed verspreide kleine metaalclusters door het substraat. Na de toevoeging van platina gevolgd door gloeien, platina-kobalt kern-schildeeltjes worden gevormd en omgeven door PGM-vrije actieve plaatsen.

Hoewel het uiteindelijke doel is om platina volledig uit waterstofbrandstofcelkatalysatoren te verwijderen, Liu zei dat het huidige onderzoek een nieuwe richting opent om zowel de activiteit van brandstofcelkatalysatoren als de duurzaamheid op een kosteneffectieve manier aan te pakken. "Omdat de nieuwe katalysatoren slechts een ultralage hoeveelheid platina nodig hebben, vergelijkbaar met die gebruikt in bestaande autokatalysatoren, het zou de overgang van conventionele verbrandingsmotoren naar brandstofcelvoertuigen kunnen vergemakkelijken zonder de toeleveringsketen en markt voor platina te verstoren, " hij zei.

De studie bestond uit het ontwerp en de synthese van de katalysator, computationele modellering en geavanceerde structurele karakterisering bij Argonne's Advanced Photon Source en Center for Nanoscale Materials, beide DOE Office of Science Gebruikersfaciliteiten.

Een paper gebaseerd op de studie, "Ultralow-loading platina-kobalt brandstofcelkatalysatoren afgeleid van imidazolaatraamwerken, " verscheen in het nummer van 8 november van Wetenschap .