In tegenstelling tot secundaire batterijen die moeten worden opgeladen, brandstofcellen zijn een soort milieuvriendelijk energieopwekkingssysteem dat rechtstreeks elektriciteit produceert uit elektrochemische reacties met waterstof als brandstof en zuurstof als oxidatiemiddel. Er zijn verschillende soorten brandstofcellen, verschillende bedrijfstemperaturen en elektrolytmaterialen. Vast oxide brandstofcellen (SOFC's), die een keramisch elektrolyt gebruiken, krijgen steeds meer aandacht. Omdat ze werken bij hoge temperaturen rond de 700 graden Celsius, ze bieden de hoogste efficiëntie onder de brandstofceltypes, en kan ook worden gebruikt om waterstof te produceren door stoomontleding. Voor de commercialisering van deze technologie, verdere verbetering van de celprestaties is noodzakelijk, en nieuwe katalysatormaterialen voor hoge temperaturen worden lang verwacht.

Op platina (Pt) gebaseerde katalysatoren vertonen uitstekende prestaties bij reacties met brandstofcelelektroden. Pt-katalysatoren met één atoom zijn interessant vanwege hun unieke functionaliteit. Echter, bij hoge temperaturen, de Pt-atomen zijn niet stabiel en agglomereren gemakkelijk. Daarom, Pt-katalysatoren met één atoom zijn alleen gebruikt in brandstofcellen bij lage temperaturen, zoals polymeer-elektrolytmembraanbrandstofcellen, die worden gebruikt voor waterstof elektrische voertuigen.

Een onderzoeksteam heeft nu een katalysator ontwikkeld die slechts een kleine hoeveelheid platina nodig heeft voor een significante prestatieverbetering, en kan stabiel werken bij hoge temperaturen. Dr. Kyung-Joong Yoon en onderzoeker Ji-Su Shin van het Center for Energy Materials Research, hebben samen met professor Yun Jung Lee van de Hanyang University een single-atom Pt-katalysator ontwikkeld die kan worden gebruikt voor SOFC's.

In hun onderzoek hebben hele platina-atomen zijn gelijkmatig verdeeld en functioneren afzonderlijk zonder agglomeratie, zelfs bij hoge temperaturen. Er is experimenteel aangetoond dat het de reactiesnelheid van de elektrode met meer dan 10 keer verhoogt. Het kan ook meer dan 500 uur werken, zelfs bij hoge temperaturen tot 700 graden Celsius en verbetert de prestaties van de elektrische stroomopwekking en de waterstofproductie met drie tot vier keer. Verwacht wordt dat het de commercialisering van vaste oxidebrandstofcellen (SOFC's) zal versnellen, de volgende generatie milieuvriendelijke brandstofcellen.

Het onderzoeksteam van KIST-Hanyang University maakte de single-atom katalysator door platina-atomen en cerium (Ce)-oxide nanodeeltjes te combineren. Elk platina-atoom is afzonderlijk verspreid op het oppervlak van de ceriumoxide-nanodeeltjes, en de sterke binding handhaaft de gedispergeerde toestand van de atomen gedurende een lange tijd, zelfs bij hoge temperaturen, waardoor alle platina-atomen bij de reactie kunnen worden betrokken. Dit maakt het op zijn beurt mogelijk om de snelheid van de elektrodereactie aanzienlijk te verbeteren terwijl de gebruikte hoeveelheid platina wordt geminimaliseerd.

Voor de fabricage, een oplossing met platina- en ceriumionen wordt in de elektrode van de SOFC geïnjecteerd, en de katalysatoren worden gesynthetiseerd terwijl de brandstofcel bij hoge temperatuur werkt. Omdat de injectie in de elektrode gemakkelijk kan worden uitgevoerd zonder speciale apparatuur, de nieuw ontwikkelde katalysator kan gemakkelijk worden toegepast op bestaande fabricageprocessen voor brandstofcellen.

Dr. Kyung-Joong Yoon van KIST zei:"De katalysator die in deze studie is ontwikkeld, kan worden toegepast op een breed scala aan vaste-oxidebrandstofcellen en elektrochemische apparaten bij hoge temperaturen met behulp van een eenvoudig en eenvoudig goedkoop proces, dus verwacht wordt dat het de ontwikkeling van milieuvriendelijke stroomopwekkings- en energieopslagapparaten van de volgende generatie zal versnellen. Gebaseerd op het feit dat de katalysator met één atoom stabiel kan werken, zelfs bij 700 graden Celsius of hoger, de toepassingsgebieden zullen sterk worden uitgebreid, inclusief thermochemische reacties op hoge temperatuur en elektrochemische reacties op hoge temperatuur."