Een interdisciplinair onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft platina-nanodeeltjes gebouwd voor katalyse in brandstofcellen:de nieuwe katalysatoren met geoptimaliseerde grootte zijn twee keer zo krachtig als het beste proces dat tegenwoordig in de handel verkrijgbaar is.

Brandstofcellen kunnen batterijen vervangen als de energiebron voor elektrische auto's. Ze verbruiken waterstof, een gas dat kan worden geproduceerd, bijvoorbeeld, gebruik van overtollige elektriciteit van windenergiecentrales. Echter, het in brandstofcellen gebruikte platina is zeldzaam en extreem duur, en dit is tot nu toe een beperkende factor geweest in toepassingen.

Een onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München (TUM) onder leiding van Roland Fischer, Hoogleraar Anorganische en Organometaalchemie, Aliaksandr Bandarenka, Fysica van energieconversie en -opslag en Alessio Gagliardi, Hoogleraar simulatie van nanosystemen voor energieconversie, heeft nu de grootte van de platinadeeltjes zodanig geoptimaliseerd dat de deeltjes tweemaal zo hoog presteren als de beste processen die tegenwoordig in de handel verkrijgbaar zijn.

Ideaal:een platina "ei" van slechts één nanometer groot

Bij brandstofcellen, waterstof reageert met zuurstof om water te produceren, daarbij elektriciteit opwekken. Om deze omzetting te optimaliseren zijn geavanceerde katalysatoren aan de elektroden nodig. Platina speelt een centrale rol in de zuurstofreductiereactie.

Op zoek naar een ideale oplossing, het team creëerde een computermodel van het complete systeem. De centrale vraag:hoe klein kan een cluster van platina-atomen zijn en nog steeds een zeer actieve katalytische werking hebben? "Het blijkt dat er bepaalde optimale afmetingen zijn voor platinastapels, ", legt Fischer uit.

Ideaal zijn deeltjes van ongeveer één nanometer die ongeveer 40 platinaatomen bevatten. "Platinumkatalysatoren van deze grootteorde hebben een klein volume maar een groot aantal zeer actieve plekken, resulterend in een hoge massa-activiteit, ' zegt Bandarenka.

Interdisciplinaire samenwerking

Interdisciplinaire samenwerking in het Catalysis Research Center (CRC) was een belangrijke factor in de resultaten van het onderzoeksteam. Het combineren van theoretische mogelijkheden in modellering, gezamenlijke discussies en fysische en chemische kennis verkregen uit experimenten resulteerden uiteindelijk in een model dat laat zien hoe katalysatoren kunnen worden ontworpen met de ideale vorm, grootte en grootteverdeling van de betrokken componenten.

In aanvulling, de CRC heeft ook de expertise die nodig is om de berekende platina-nanokatalysatoren te creëren en experimenteel te testen. "Dit vergt veel van de kunst van de anorganische synthese, " zegt Kathrin Kratzl, samen met Batyr Garlyyev en Marlon Rück, een van de drie hoofdauteurs van het onderzoek.

Twee keer zo effectief als de beste conventionele katalysator

Het experiment bevestigde precies de theoretische voorspellingen. "Onze katalysator is twee keer zo effectief als de beste conventionele katalysator op de markt, " zegt Garlyyev, eraan toevoegend dat dit nog steeds niet geschikt is voor commerciële toepassingen, aangezien de huidige 50 procent reductie van de hoeveelheid platina zou moeten worden verhoogd tot 80 procent.

Naast bolvormige nanodeeltjes, de onderzoekers hopen op een nog hogere katalytische activiteit van aanzienlijk complexere vormen. En de computermodellen die in het partnerschap zijn opgesteld, zijn ideaal voor dit soort modellering. "Hoe dan ook, complexere vormen vereisen complexere synthesemethoden, ", zegt Bandarenka. Hierdoor zullen computationele en experimentele studies in de toekomst steeds belangrijker worden.