Een nieuwe combinatie van nanodeeltjes en grafeen resulteert in een duurzamer katalytisch materiaal voor brandstofcellen, volgens werk dat vandaag online is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society. Het katalytische materiaal is niet alleen sterker, maar ook chemisch actiever. De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat de resultaten het ontwerp van de brandstofcel zullen helpen verbeteren.

"Brandstofcellen zijn een belangrijk gebied van energietechnologie, maar kosten en duurzaamheid zijn grote uitdagingen, " zei chemicus Jun Liu. "De unieke structuur van dit materiaal zorgt voor de broodnodige stabiliteit, goede elektrische geleidbaarheid en andere gewenste eigenschappen."

Liu en zijn collega's van het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy, Princeton-universiteit in Princeton, NJ, en de Washington State University in Pullman, Wassen., gecombineerd grafeen, een één atoom dikke honingraat van koolstof met handige elektrische en structurele eigenschappen, met metaaloxide-nanodeeltjes om een ​​brandstofcelkatalysator te stabiliseren en beter beschikbaar te maken om zijn werk te doen.

"Dit materiaal heeft een groot potentieel om brandstofcellen goedkoper te maken en langer mee te gaan, " zei katalytisch chemicus Yong Wang, die een gezamenlijke afspraak heeft met PNNL en WSU. "Het werk kan ook lessen opleveren voor het verbeteren van de prestaties van andere op koolstof gebaseerde katalysatoren voor een breed scala aan industriële toepassingen."

Spiermetaaloxide

Brandstofcellen werken door het chemisch afbreken van zuurstof- en waterstofgassen om een ​​elektrische stroom te creëren, daarbij water en warmte produceren. Het middelpunt van de brandstofcel is de chemische katalysator - meestal een metaal zoals platina - die op een steun zit die vaak van koolstof is gemaakt. Een goed ondersteunend materiaal verdeelt het platina gelijkmatig over het oppervlak om het oppervlak te maximaliseren waarmee het gasmoleculen kan aanvallen. Het is ook elektrisch geleidend.

Ontwikkelaars van brandstofcellen gebruiken meestal zwarte koolstof - denk aan potloodlood - maar platina-atomen hebben de neiging om op dergelijke koolstof te klonteren. In aanvulling, water kan de koolstof weg afbreken. Een andere ondersteuningsoptie zijn metaaloxiden - denk aan roest - maar wat metaaloxiden goedmaken in stabiliteit en katalysatordispersie, ze verliezen in geleidbaarheid en gemak van synthese. Andere onderzoekers zijn begonnen met het onderzoeken van metaaloxiden in combinatie met koolstofmaterialen om het beste van twee werelden te krijgen.

Als koolstofdrager Liu en zijn collega's vonden grafeen intrigerend. Het honingraatrooster van grafeen is poreus, elektrisch geleidend en biedt veel ruimte voor platina-atomen om te werken. Eerst, het team kristalliseerde nanodeeltjes van het metaaloxide dat bekend staat als indiumtinoxide - of ITO - rechtstreeks op speciaal behandeld grafeen. Vervolgens voegden ze platina-nanodeeltjes toe aan het grafeen-ITO en testten de materialen.

Platinagewicht

Het team bekeek de materialen onder hoge-resolutiemicroscopen bij EMSL, DOE's Environmental Molecular Sciences Laboratory op de PNNL-campus. De beelden toonden aan dat zonder ITO, platina-atomen klonterden samen op het grafeenoppervlak. Maar met ITO, het platina spreidde zich mooi uit. Die afbeeldingen toonden ook katalytisch platina ingeklemd tussen de nanodeeltjes en het grafeenoppervlak, waarbij de nanodeeltjes gedeeltelijk op het platina zitten als een presse-papier.

Om te zien hoe stabiel deze regeling was, het team voerde theoretische berekeningen uit van moleculaire interacties tussen het grafeen, platina en ITO. Dit rekenwerk op de Chinook-supercomputer van EMSL toonde aan dat het drietal stabieler was dan het metaaloxide alleen op grafeen of de katalysator alleen op grafeen.

Maar stabiliteit maakt geen verschil als de katalysator niet werkt. Bij tests om te zien hoe goed de materialen zuurstof afbreken zoals in een brandstofcel, de drievoudige bedreiging verpakt ongeveer 40% meer van een klap dan de katalysator alleen op grafeen of de katalysator alleen op andere op koolstof gebaseerde dragers zoals actieve kool.

Laatste, het team testte hoe goed het nieuwe materiaal bestand is tegen herhaald gebruik door het kunstmatig te laten verouderen. Na veroudering, het tripartiete materiaal bleek drie keer zo duurzaam als de enige katalysator op grafeen en twee keer zo duurzaam als op veelgebruikte actieve kool. Uit corrosietesten bleek dat de drievoudige dreiging ook resistenter was dan de andere geteste materialen.

Het team neemt nu het platina-ITO-grafeenmateriaal op in experimentele brandstofcellen om te bepalen hoe goed het werkt onder reële omstandigheden en hoe lang het meegaat.