Waterstofbrandstofcellen zijn een veelbelovende technologie voor de productie van schone en hernieuwbare energie, maar de kosten en activiteit van hun kathodematerialen vormen een grote uitdaging voor commercialisering. Veel brandstofcellen hebben dure op platina gebaseerde katalysatoren nodig - stoffen die chemische reacties initiëren en versnellen - om hernieuwbare brandstoffen om te zetten in elektrische energie. Om waterstofbrandstofcellen commercieel levensvatbaar te maken, wetenschappers zoeken naar meer betaalbare katalysatoren die dezelfde efficiëntie bieden als puur platina.

"Als een batterij, waterstofbrandstofcellen zetten opgeslagen chemische energie om in elektriciteit. Het verschil is dat u een navulbare brandstof gebruikt, dus in principe, die 'batterij' zou eeuwig meegaan, " zei Adrian Hunt, een wetenschapper bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility bij DOE's Brookhaven National Laboratory. "Het vinden van een goedkope en effectieve katalysator voor waterstofbrandstofcellen is in feite de heilige graal om deze technologie haalbaarder te maken."

Door deel te nemen aan deze wereldwijde zoektocht naar kathodematerialen voor brandstofcellen, onderzoekers van de Universiteit van Akron ontwikkelden een nieuwe methode voor het synthetiseren van katalysatoren uit een combinatie van metalen - platina en nikkel - die octaëdrische (achtzijdige) gevormde nanodeeltjes vormen. Hoewel wetenschappers deze katalysator hebben geïdentificeerd als een van de meest efficiënte vervangers voor puur platina, ze hebben niet helemaal begrepen waarom het in een octaëdrische vorm groeit. Om het groeiproces beter te begrijpen, de onderzoekers van de Universiteit van Akron werkten samen met meerdere instellingen, inclusief Brookhaven en zijn NSLS-II.

"Begrijpen hoe de gefacetteerde katalysator wordt gevormd, speelt een sleutelrol bij het vaststellen van de correlatie tussen structuur en eigenschappen en bij het ontwerpen van een betere katalysator, " zei Zhenmeng Peng, hoofdonderzoeker van het katalyselab aan de Universiteit van Akron. "Het groeiproces voor het platina-nikkelsysteem is behoorlijk geavanceerd, daarom werkten we samen met verschillende ervaren groepen om de uitdagingen aan te gaan. De geavanceerde technieken van Brookhaven National Lab waren een grote hulp om dit onderzoeksonderwerp te bestuderen."

Met behulp van de ultraheldere röntgenstralen bij NSLS-II en de geavanceerde mogelijkheden van NSLS-II's In situ en Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) bundellijn, de onderzoekers onthulden de chemische karakterisering van het groeipad van de katalysator in realtime. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"We gebruikten een onderzoekstechniek genaamd omgevingsdruk röntgenfoto-elektronenspectroscopie (AP-XPS) om de oppervlaktesamenstelling en chemische toestand van de metalen in de nanodeeltjes tijdens de groeireactie te bestuderen, " zei Iradwikanari Waluyo, hoofdwetenschapper bij IOS en een co-corresponderende auteur van het onderzoekspaper. "Bij deze techniek we richten röntgenstralen op een monster, waardoor elektronen vrijkomen. Door de energie van deze elektronen te analyseren, we kunnen de chemische elementen in het monster onderscheiden, evenals hun chemische en oxidatietoestanden."

Jacht, die ook een auteur is op het papier, toegevoegd, "Het is vergelijkbaar met de interactie van zonlicht met onze kleding. Zonlicht is ruwweg geel, maar zodra het iemands hemd raakt, je kunt zien of het shirt blauw is, rood, of groen."

In plaats van kleuren, de wetenschappers identificeerden chemische informatie op het oppervlak van de katalysator en vergeleken deze met het interieur. Ze ontdekten dat, tijdens de groeireactie, metallisch platina vormt het eerst en wordt de kern van de nanodeeltjes. Vervolgens, wanneer de reactie een iets hogere temperatuur bereikt, platina helpt bij het vormen van metallisch nikkel, die later segregeert naar het oppervlak van het nanodeeltje. In de laatste groeifasen, het oppervlak wordt ongeveer een gelijk mengsel van de twee metalen. Dit interessante synergetische effect tussen platina en nikkel speelt een belangrijke rol bij de ontwikkeling van de octaëdrische vorm van het nanodeeltje, evenals zijn reactiviteit.

"Het leuke van deze bevindingen is dat nikkel een goedkoop materiaal is, overwegende dat platina duur is, "Zei Hunt. "Dus, als het nikkel op het oppervlak van het nanodeeltje de reactie katalyseert, en deze nanodeeltjes zijn nog steeds actiever dan platina op zich, dan hopelijk, met meer onderzoek, we kunnen de minimale hoeveelheid platina berekenen die moet worden toegevoegd en toch de hoge activiteit krijgen, het creëren van een meer kosteneffectieve katalysator."

De bevindingen waren afhankelijk van de geavanceerde mogelijkheden van IOS, waar de onderzoekers de experimenten konden uitvoeren bij gasdrukken die hoger zijn dan wat gewoonlijk mogelijk is in conventionele XPS-experimenten.

"Bij IOS, we waren in staat om veranderingen in de samenstelling en chemische toestand van de nanodeeltjes in realtime te volgen tijdens de echte groeiomstandigheden, ' zei Waluyo.

Aanvullende röntgen- en elektronenbeeldvormingsstudies voltooid bij de Advanced Photon Source (APS) bij DOE's Argonne National Laboratory - een andere DOE Office of Science User Facility - en University of California-Irvine, respectievelijk, een aanvulling op het werk bij NSLS-II.

"Dit fundamentele werk benadrukt de belangrijke rol van gescheiden nikkel bij het vormen van de octaëdrische katalysator. We hebben meer inzicht gekregen in de vormcontrole van katalysator-nanodeeltjes, " zei Peng. "Onze volgende stap is om de katalytische eigenschappen van de gefacetteerde nanodeeltjes te bestuderen om de correlatie tussen structuur en eigenschappen te begrijpen."