Brandstofcellen winnen, vanwege hun hoge efficiëntie en milieuvriendelijke eigenschappen in het proces van elektriciteitsopwekking, aan populariteit voor de productie van brandstofcelvoertuigen (FCV), zoals auto's, vorkheftrucks, bussen en vliegtuigen. De kostbare aard van het produceren van brandstofcelkatalysatoren sluit echter de massaproductie en grootschalige toepassing van FCV's uit.

Brandstofcelkatalysatoren zijn meestal gemaakt van platina (Pt) of Pt-legeringen met overgangsmetalen die dun op de poreuze koolstofdragers zijn aangebracht. Platina is een ideaal katalytisch materiaal omdat het de zure omstandigheden kan weerstaan ​​en de snelheid van chemische reacties efficiënt kan verhogen. Het is echter duur en heeft onvoldoende hulpbronnen. Daarom is het absoluut noodzakelijk om nieuwe katalysatoren met een lage Pt-hoeveelheid en hoge katalytische activiteit te ontwikkelen en te screenen voor de commercialisering van brandstofcellen.

In een Wetenschap paper gepubliceerd op 22 oktober, rapporteerden onderzoekers van de University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) een zwavelverankeringsmethode van hoge temperatuur, met succes gesynthetiseerde kleine Pt intermetallische nanodeeltjes (i -NP) katalysatoren met ultralage Pt-belasting en hoge massa-activiteit. Ze hebben ook i-NP-bibliotheken opgezet, waaronder 46 soorten Pt-nanodeeltjes (NP's) om goedkope en duurzame elektrodematerialen te screenen en om de structuur-activiteitsrelaties van i-NP's systematisch te onderzoeken.

I-NP's hebben brede aandacht getrokken vanwege hun unieke atomair geordende eigenschappen en uitstekende katalytische prestaties bij veel chemische reacties. Het onvermijdelijke sinteren van metaal bij hoge temperatuur is echter ongewenst tijdens de synthese van i-NP's, omdat dit zal leiden tot grotere kristallieten. Het resulteert dus in een kleiner specifiek oppervlak en lagere katalytische activiteiten van de materialen, en uiteindelijk vermindert het de benuttingsgraad van Pt, waardoor de kosten van brandstofcellen aanzienlijk stijgen.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Liang Haiwei, maakte op ingenieuze wijze gebruik van de sterke chemische interactie van Pt-zwavel. Ze maakten Pt-intermetallische materialen op met zwavel gedoteerde koolstof (S-C) dragers om het sinteren van NP's bij hoge temperaturen te onderdrukken, en ze waren in staat om atomair geordende i-NP's te verkrijgen met een gemiddelde grootte van <5 nm. S-C-dragers vertoonden een uitstekend anti-sintervermogen, en onderzoekers verkregen Pt NP's met een gemiddelde diameter van nog steeds <5 nm na gloeien bij hoge temperaturen tot 1000 C. Er werd echter ernstige Pt-sintering waargenomen na hetzelfde gloeiproces op commerciële roetdragers.

Om te profiteren van de anti-sintereigenschap, synthetiseerden onderzoekers 46 soorten kleine Pt-gebaseerde i-NP's op SC-dragers en gevestigde i-NP-bibliotheken. Spectrale karakteriseringen werden gemeten en de resultaten bevestigden de sterke chemische interacties van Pt-S-bindingen. Bovendien toonden de röntgendiffractie (XRD) resultaten een hoge ordeningsgraad en kleine omvang van i-NP-katalysatoren in bibliotheken, consistent met de statistische analyse van de ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie (HAADF-STEM) waarnemingen.

"Op basis van de i-NP-bibliotheken kunnen we systematisch de relatie tussen structuur en prestaties van katalysatoren bestuderen," zei Liang, "en voldoende monsters hielpen ons efficiënte katalysatoren te screenen waarvan werd verwacht dat ze de kosten van brandstofcellen grotendeels zouden verlagen." Onderzoekers screenden i-NP's en pasten ze toe voor protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC's). Deze katalysatoren vertoonden uitstekende elektrokatalytische prestaties voor de zuurstofreductiereactie (ORR). Vooral in H₂ -air PEMFC, hoewel de Pt-lading van i-NP's 11,5 keer lager was dan die van Pt/C-kathode, vertoonden de kathoden van de i-NP-katalysatoren een vergelijkbaar vermogen als de Pt/C-kathode.

Dit werk biedt een universele manier voor de synthese van Pt-legeringskatalysatoren die worden gebruikt in waterstofbrandstofcellen. Deze methode wekt hoop op het verminderen van de gebruikte hoeveelheid Pt, waardoor de kosten van brandstofcellen dalen. "Door de poreuze structuren en oppervlaktefunctionaliteiten van koolstofdragers te ontwerpen, kan de efficiëntie van brandstofcellen verder worden verbeterd, waardoor hun overdracht van laboratorium naar het publiek wordt versneld", zei Liang.