Films van platina van slechts twee atomen dik, ondersteund door grafeen, kunnen brandstofcelkatalysatoren mogelijk maken met een ongekende katalytische activiteit en een lange levensduur, volgens een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology.

Platina is een van de meest gebruikte katalysatoren voor brandstofcellen omdat het de oxidatiereductiereactie in het centrum van de technologie mogelijk maakt. Maar de hoge kosten hebben geleid tot onderzoeksinspanningen om manieren te vinden om kleinere hoeveelheden ervan te gebruiken met behoud van dezelfde katalytische activiteit.

"Er zullen altijd initiële kosten zijn voor het produceren van een brandstofcel met platinakatalysatoren, en het is belangrijk om die kosten zo laag mogelijk te houden, " zei Faisal Alamgir, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Maar de echte kosten van een brandstofcelsysteem worden berekend door hoe lang dat systeem meegaat, en dit is een kwestie van duurzaamheid.

"Onlangs is er een druk geweest om katalytische systemen zonder platina te gebruiken, maar het probleem is dat er tot nu toe geen systeem is voorgesteld dat tegelijkertijd overeenkomt met de katalytische activiteit en de duurzaamheid van platina, ' zei Alamgir.

De Georgia Tech-onderzoekers probeerden een andere strategie. In de studie, die op 18 september in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde functionele materialen en ondersteund door de National Science Foundation, ze beschrijven het creëren van verschillende systemen die atomair dunne films van platina gebruikten, ondersteund door een laag grafeen, waardoor het totale oppervlak van het platina dat beschikbaar is voor katalytische reacties effectief wordt gemaximaliseerd en een veel kleinere hoeveelheid van het edelmetaal wordt gebruikt.

De meeste op platina gebaseerde katalytische systemen maken gebruik van nanodeeltjes van het metaal dat chemisch gebonden is aan een drageroppervlak, waar oppervlakte-atomen van de deeltjes het meeste katalytische werk doen, en het katalytische potentieel van de atomen onder het oppervlak wordt nooit zo volledig benut als de oppervlakte-atomen, als al.

Aanvullend, de onderzoekers toonden aan dat de nieuwe platinafilms die minstens twee atomen dik zijn, beter presteerden dan nanodeeltjesplatina in de dissociatie-energie, wat een maat is voor de energiekosten van het losraken van een platina-atoom aan het oppervlak. Die meting suggereert dat die films potentieel duurzamere katalytische systemen zouden kunnen maken.

Om de atomair dunne films te bereiden, de onderzoekers gebruikten een proces genaamd elektrochemische atomaire laagafzetting om platina-monolagen op een laag grafeen te laten groeien, monsters maken die er een hadden, twee of drie atoomlagen van atomen. De onderzoekers testten vervolgens de monsters op dissociatie-energie en vergeleken de resultaten met de energie van een enkel platina-atoom op grafeen, evenals de energie van een gemeenschappelijke configuratie van platina-nanodeeltjes die in katalysatoren worden gebruikt.

"De fundamentele vraag in dit werk was of het mogelijk was dat een combinatie van metallische en covalente binding de platinaatomen in een platina-grafeencombinatie stabieler kan maken dan hun tegenhangers in bulkplatina dat gewoonlijk wordt gebruikt in katalysatoren die worden ondersteund door metaalverbinding, " zei Seung Soon Jang, een universitair hoofddocent aan de School of Materials Science and Engineering.

De onderzoekers ontdekten dat de binding tussen naburige platina-atomen in de film in wezen krachten combineert met de binding tussen de film en de grafeenlaag om het systeem te versterken. Dat gold vooral voor de platinafilm die twee atomen dik was.

"Normaal gesproken zijn metaalfilms onder een bepaalde dikte niet stabiel omdat de bindingen ertussen niet gericht zijn, en ze hebben de neiging om over elkaar heen te rollen en samen te klonteren om een ​​deeltje te vormen, " zei Alamgir. "Maar dat is niet waar met grafeen, die stabiel is in een tweedimensionale vorm, zelfs een atoom dik, omdat het zeer sterke covalente directionele bindingen heeft tussen zijn naburige atomen. Dus dit nieuwe katalytische systeem zou de directionele binding van het grafeen kunnen gebruiken om een ​​atomair dunne film van platina te ondersteunen."

Toekomstig onderzoek zal verder testen omvatten van hoe de films zich gedragen in een katalytische omgeving. The researchers found in earlier research on graphene-platinum films that the material behaves similarly in catalytic reactions regardless of which side—graphene or platinum—is the exposed active surface.

"In this configuration, the graphene is not acting as a separate entity from the platinum, " Alamgir said. "They're working together as one. So we believe that if you're exposing the graphene side, you get the same catalytic activity and you could further protect the platinum, potentially further enhancing durability."