Vooruitgang in de brandstofceltechnologie is gedwarsboomd door de ontoereikendheid van metalen die als katalysatoren worden bestudeerd. Het nadeel van platina, behalve de kosten, is dat het koolmonoxide absorbeert in reacties waarbij brandstofcellen betrokken zijn die worden aangedreven door organische materialen zoals mierenzuur. Een recenter getest metaal, palladium, breekt na verloop van tijd af.

Nu hebben scheikundigen van Brown University een driekoppig metalen nanodeeltje gemaakt waarvan ze zeggen dat het beter presteert en langer meegaat dan alle andere aan het anode-uiteinde in mierenzuur-brandstofcelreacties. In een paper gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , de onderzoekers rapporteren een ijzer-platina-goud nanodeeltje van 4 nanometer (FePtAu), met een tetragonale kristalstructuur, genereert een hogere stroom per massa-eenheid dan elke andere geteste nanodeeltjeskatalysator. Bovendien, het trimetallische nanodeeltje bij Brown presteert na 13 uur bijna net zo goed als aan het begin. Daarentegen, een andere nanodeeltjesassemblage die onder identieke omstandigheden werd getest, verloor in slechts een kwart van de tijd bijna 90 procent van zijn prestaties.

"We hebben een mierenzuur-brandstofcelkatalysator ontwikkeld die de beste is die tot nu toe is gemaakt en getest, " zei Shouheng Sun, chemieprofessor aan Brown en corresponderende auteur op het papier. "Het heeft een goede duurzaamheid en een goede activiteit."

Goud speelt een sleutelrol in de reactie. Eerst, het fungeert als een soort gemeenschapsorganisator, het leiden van de ijzer- en platina-atomen in nette, uniforme lagen in het nanodeeltje. De goudatomen verlaten dan het podium, binding aan het buitenoppervlak van het nanodeeltjessamenstel. Goud is effectief in het ordenen van de ijzer- en platinaatomen omdat de goudatomen in het begin extra ruimte creëren binnen de nanodeeltjesbol. Wanneer de goudatomen bij verwarming uit de ruimte diffunderen, ze creëren meer ruimte voor de ijzer- en platina-atomen om zichzelf te assembleren. Goud creëert de kristallisatiechemici die ze nodig hebben in de nanodeeltjesassemblage bij lagere temperatuur.

Goud verwijdert ook koolmonoxide (CO) uit de reactie door de oxidatie ervan te katalyseren. Koolmonoxide, behalve dat het gevaarlijk is om te ademen, bindt goed aan ijzer- en platinaatomen, de reactie aanwakkeren. Door het in wezen uit de reactie te schrobben, goud verbetert de prestaties van de ijzer-platinakatalysator. Het team besloot goud te proberen nadat het in de literatuur had gelezen dat gouden nanodeeltjes effectief waren in het oxideren van koolmonoxide - zo effectief, in feite, dat gouden nanodeeltjes waren verwerkt in de helmen van Japanse brandweerlieden. Inderdaad, de driekoppige metalen nanodeeltjes van het Brown-team werkten net zo goed bij het verwijderen van CO bij de oxidatie van mierenzuur, hoewel het niet precies duidelijk is waarom.

De auteurs benadrukken ook het belang van het creëren van een geordende kristalstructuur voor de nanodeeltjeskatalysator. Goud helpt onderzoekers om een ​​kristalstructuur te krijgen genaamd "face-centered-tetragonal, " een vierzijdige vorm waarin ijzer- en platina-atomen in wezen worden gedwongen om specifieke posities in de structuur in te nemen, meer orde scheppen. Door atomaire orde op te leggen, de ijzer- en platinalagen binden zich steviger in de structuur, waardoor de montage stabieler en duurzamer wordt, essentieel voor beter presterende en duurzamere katalysatoren.

Bij experimenten, de FePtAu-katalysator bereikte 2809,9 mA/mg Pt (massa-activiteit, of stroom gegenereerd per milligram platina), "wat de hoogste is van alle NP-katalysatoren (nanodeeltjes) die ooit zijn gerapporteerd, ", schrijven de Brown-onderzoekers. Na 13 uur, het FePtAu-nanodeeltje heeft een massaactiviteit van 2600mA/mg Pt, of 93 procent van de oorspronkelijke prestatiewaarde. In vergelijking, de wetenschappers schrijven, het goed ontvangen platina-bismut nanodeeltje heeft een massa-activiteit van ongeveer 1720mA/mg Pt onder identieke experimenten, en is vier keer minder actief wanneer gemeten voor duurzaamheid.

De onderzoekers merken op dat andere metalen kunnen worden vervangen door goud in de nanodeeltjeskatalysator om de prestaties en duurzaamheid van de katalysator te verbeteren.

"Deze mededeling presenteert een nieuwe structuurcontrolestrategie om de katalyse van nanodeeltjes voor brandstofoxidaties af te stemmen en te optimaliseren. ’ schrijven de onderzoekers.

Sen Zhang, een derdejaars student in het lab van Sun, geholpen met het ontwerp en de synthese van nanodeeltjes. Shaojun Guo, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Sun voerde elektrochemische oxidatie-experimenten uit. Huiyuan Zhu, een tweedejaars student in het lab van Sun, synthetiseerde de FePt-nanodeeltjes en voerde controle-experimenten uit. De andere bijdragende auteur is Dong Su van het Center for Functional Nanomaterials in Brookhaven National Laboratory, die de structuur van de nanodeeltjeskatalysator analyseerde met behulp van de geavanceerde elektronenmicroscopiefaciliteiten daar.