Voertuigen aangedreven door polymere elektrolytmembraanbrandstofcellen (PEMFC's) zijn energiezuinig en milieuvriendelijk, maar ondanks de toenemende publieke belangstelling voor door PEMFC aangedreven transport, de huidige prestaties van materialen die in brandstofcellen worden gebruikt, beperken hun wijdverbreide commercialisering.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) leidden een team om reacties in PEMFC's te onderzoeken, en hun ontdekkingen hebben geleid tot de creatie van technologie die brandstofcellen een stap dichter bij het realiseren van hun volledige marktpotentieel zou kunnen brengen.

PEMFC's zijn afhankelijk van waterstof als brandstof, die aan de anodezijde van de cel wordt geoxideerd door een waterstofoxidatiereactie, terwijl zuurstof uit de lucht wordt gebruikt voor een zuurstofreductiereactie (ORR) aan de kathode. Door deze processen, brandstofcellen produceren elektriciteit om elektrische motoren in voertuigen en andere toepassingen aan te drijven, uitstoot van water als het enige bijproduct.

Op platina gebaseerd, nanodeeltjes zijn de meest effectieve materialen voor het bevorderen van reacties in brandstofcellen, inclusief de ORR in de kathode. Echter, naast hun hoge kosten, platina nanodeeltjes lijden aan geleidelijke afbraak, vooral in de kathode, wat de katalytische prestatie beperkt en de levensduur van de brandstofcel verkort.

Het onderzoeksteam, waaronder het Oak Ridge National Laboratory van DOE en verschillende universitaire partners, gebruikte een nieuwe benadering om de ontbindingsprocessen van platina op atomair en moleculair niveau te onderzoeken. Het onderzoek stelde hen in staat om het afbraakmechanisme tijdens de kathodische ORR te identificeren, en de inzichten leidden het ontwerp van een nanokatalysator die goud gebruikt om het oplossen van platina te elimineren.

"Het oplossen van platina vindt plaats op atomaire en moleculaire schaal tijdens blootstelling aan de zeer corrosieve omgeving in brandstofcellen, " zei Vojislav Stamenkovic, een senior wetenschapper en groepsleider voor de Energy Conversion and Storage-groep in de Materials Science Division (MSD) van Argonne. "Deze materiaaldegradatie beïnvloedt de langetermijnactiviteiten van de brandstofcel, een obstakel vormen voor de implementatie van brandstofcellen in transport, specifiek in zware toepassingen zoals langeafstandsvrachtwagens."

Klein beginnen

De wetenschappers gebruikten een reeks aangepaste karakteriseringstools om het oplossen van goed gedefinieerde platinastructuren in eenkristaloppervlakken te onderzoeken, dunne films en nanodeeltjes.

"We hebben mogelijkheden ontwikkeld om processen op atomaire schaal te observeren om de mechanismen te begrijpen die verantwoordelijk zijn voor ontbinding en om de omstandigheden te identificeren waaronder het plaatsvindt, " zei Pietro Papa Lopes, een wetenschapper in Argonne's MSD en eerste auteur van de studie. "Vervolgens hebben we deze kennis geïmplementeerd in materiaalontwerp om ontbinding te verminderen en de duurzaamheid te vergroten."

Het team bestudeerde de aard van oplossen op fundamenteel niveau met behulp van oppervlaktespecifieke hulpmiddelen, elektrochemische methoden, inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie, computationele modellering en atoomkracht, scanning tunneling en transmissiemicroscopie met hoge resolutie.

In aanvulling, de wetenschappers vertrouwden op een zeer nauwkeurige synthesebenadering om structuren te creëren met goed gedefinieerde fysische en chemische eigenschappen, ervoor te zorgen dat de relaties tussen structuur en stabiliteit die werden ontdekt door het bestuderen van 2D-oppervlakken, werden overgedragen naar de 3D-nanodeeltjes die ze produceerden.

"We hebben deze onderzoeken uitgevoerd - van enkele kristallen, dunne films, tot nanodeeltjes - die ons lieten zien hoe we platinakatalysatoren kunnen synthetiseren om de duurzaamheid te vergroten, " zei Lopes, "en door naar deze verschillende materialen te kijken, we hebben ook strategieën geïdentificeerd om goud te gebruiken om het platina te beschermen."

Voor goud gaan

Toen de wetenschappers de fundamentele aard van ontbinding ontdekten door het optreden ervan in verschillende testbedscenario's te observeren, het team gebruikte de kennis om ontbinding te verminderen met de toevoeging van goud.

De onderzoekers gebruikten transmissie-elektronenmicroscopiemogelijkheden bij Argonne's Center for Nanoscale Materials en bij het Center for Nanophase Materials Sciences in Oak Ridge National Laboratory - beide DOE Office of Science User Facilities - om platina-nanodeeltjes af te beelden na synthese en voor en na de operatie. Met deze techniek konden de wetenschappers de stabiliteit van de nanodeeltjes met en zonder ingebouwd goud vergelijken.

Het team ontdekte dat een gecontroleerde plaatsing van goud in de kern de plaatsing van platina in een optimale oppervlaktestructuur bevordert die een hoge stabiliteit biedt. In aanvulling, goud werd selectief op het oppervlak afgezet om specifieke locaties te beschermen die het team als bijzonder kwetsbaar voor ontbinding identificeerde. Deze strategie elimineert het oplossen van platina van zelfs de kleinste nanodeeltjes die in dit onderzoek zijn gebruikt door platina-atomen vast te houden aan de plaatsen waar ze de ORR nog steeds effectief kunnen katalyseren.

Begrip op atoomniveau

Het begrijpen van de mechanismen achter ontbinding op atomair niveau is essentieel om de correlatie tussen platinaverlies, oppervlaktestructuur en grootte en verhouding van platina nanodeeltjes, en bepalen hoe deze relaties de werking op lange termijn beïnvloeden.

"Het nieuwe deel van dit onderzoek is het oplossen van de mechanismen en het volledig verminderen van het oplossen van platina door materiaalontwerp op verschillende schalen, van eenkristallen en dunne films tot nanodeeltjes, " zei Stamenkovic. "Het zijn de inzichten die we hebben opgedaan in combinatie met het ontwerp en de synthese van een nanomateriaal dat duurzaamheidsproblemen in brandstofcellen aanpakt, evenals het vermogen om het oplossen van platinakatalysator uit andere processen die bijdragen aan het achteruitgang van de brandstofcelprestaties af te bakenen en te kwantificeren."

Het team ontwikkelt ook een voorspellend verouderingsalgoritme om de duurzaamheid op lange termijn van de op platina gebaseerde nanodeeltjes te beoordelen en vond een 30-voudige verbetering in duurzaamheid in vergelijking met nanodeeltjes zonder goud.

Een paper over de studie, getiteld "Het elimineren van het oplossen van op platina gebaseerde elektrokatalysatoren op atomaire schaal, " werd gepubliceerd op 20 juli in Natuurmaterialen .