(Phys.org) — De zoektocht om waterstof te benutten als de schoonbrandende brandstof van de toekomst vereist de perfecte katalysatoren:machines op nanoschaal die chemische reacties versterken. Wetenschappers moeten atomaire structuren aanpassen om een ​​optimale balans van reactiviteit te bereiken, duurzaamheid, en synthese op industriële schaal. In een opkomende katalysegrens, wetenschappers zoeken ook naar nanodeeltjes die tolerant zijn voor koolmonoxide, een vergiftiging onzuiverheid in waterstof afgeleid van aardgas. Deze onzuivere brandstof – 40 procent goedkoper dan de pure waterstof geproduceerd uit water – blijft grotendeels ongebruikt.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) - in onderzoek dat op 18 september online is gepubliceerd, 2013 in het tijdschrift Natuurcommunicatie —een hoogwaardige nanokatalysator hebben gecreëerd die aan al deze eisen voldoet. De nieuwe kern-schaalstructuur - ruthenium bedekt met platina - is bestand tegen schade door koolmonoxide omdat het de energetische reacties aandrijft die centraal staan ​​​​in brandstofcellen voor elektrische voertuigen en vergelijkbare technologieën.

"Deze nanodeeltjes vertonen een perfecte atomaire ordening in zowel het ruthenium als het platina, het overwinnen van structurele defecten die voorheen koolmonoxidetolerante katalysatoren verlamden, " zei co-auteur van de studie en Brookhaven Lab-chemicus Jia Wang. "Onze zeer schaalbare, 'groene' synthesemethode, zoals onthuld door beeldvormingstechnieken op atomaire schaal, opent nieuwe en opwindende mogelijkheden voor katalyse en duurzaamheid."

Kristallen fabriceren met atomaire perfectie

Katalysatoren in brandstofcellen maken de intrinsieke energie van waterstofmoleculen los en zetten deze om in elektriciteit. Platina presteert uitzonderlijk goed met pure waterstofbrandstof, maar de hoge kosten en zeldzaamheid van het metaal belemmeren de wijdverbreide toepassing ervan. Door goedkopere metalen te coaten met dunne lagen platina-atomen, echter, wetenschappers kunnen reactiviteit behouden terwijl ze de kosten verlagen en core-shell-structuren creëren met superieure prestatieparameters.

De koolmonoxide-onzuiverheden in waterstof gevormd uit aardgas vormen een andere uitdaging voor wetenschappers omdat ze de meeste platinakatalysatoren deactiveren. Ruthenium - minder duur dan platina - bevordert de tolerantie voor koolmonoxide, maar is meer vatbaar voor ontbinding tijdens het opstarten/afsluiten van brandstofcellen, waardoor de prestaties geleidelijk afnemen.

"We wilden rutheniumkernen beschermen tegen oplossen met complete platinaschillen van slechts één of twee atomen dik, Wang zei. "Eerdere studies op het gebied van oppervlaktewetenschap onthulden een opmerkelijke variatie van oppervlakte-eigenschappen in deze kern-schaalconfiguratie, wat de noodzaak en de mogelijkheid suggereert om het recept met nauwkeurige controle te perfectioneren."

Er bestond twijfel of een sterk geordende rutheniumkern al dan niet mogelijk was met een platina-omhulsel - eerder gesynthetiseerde nanodeeltjes vertoonden een verzwakte kristalstructuur in het ruthenium.

"Gelukkig, we ontdekten dat het verlies van de rutheniumstructuur te wijten was aan defect-gemedieerde diffusie tussen de lagen, wat vermijdbaar is, Wang zei. "Door eventuele roosterdefecten in ruthenium-nanodeeltjes te elimineren voordat platina wordt toegevoegd, we bewaarden de cruciale, discrete atomaire structuur van elk element."

De schaalbare en goedkope synthesemethode maakt gebruik van ethanol - een veelgebruikt en goedkoop oplosmiddel - als reductiemiddel om de kern en schaal van nanodeeltjes te fabriceren. Het geavanceerde proces vereist geen andere organische middelen of metalen sjablonen.

"Gewoon de temperatuur aanpassen, water, en de zuurgraad van de oplossingen gaven ons volledige controle over het proces en leverden opmerkelijk consistente ruthenium-nanodeeltjesgrootte en uniforme platinacoating op, " zei Brookhaven Lab-chemicus Radoslav Adzic, een andere co-auteur van het onderzoek. "Deze eenvoud biedt een hoge reproduceerbaarheid en schaalbaarheid, en het toont het duidelijke commerciële potentieel van onze methode aan."

Kern-Shell-karakterisering

"We hebben de voltooide katalysatoren naar andere faciliteiten hier in het Lab gebracht om de exacte details van de atomaire structuur te onthullen, Wang zei. "Dit soort snelle samenwerking is alleen mogelijk als je naast experts en instrumenten van wereldklasse werkt."

Wetenschappers van Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source (NSLS) onthulden de atomaire dichtheid, verdeling, en uniformiteit van de metalen in de nanokatalysatoren met behulp van een techniek genaamd röntgendiffractie, waar hoogfrequent licht verstrooit en buigt na interactie met individuele atomen. De samenwerking maakte ook gebruik van een scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM) in Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN) om de verschillende sub-nanometer atomaire patronen te lokaliseren. Met dit instrument een gefocusseerde bundel elektronen bombardeerde de deeltjes, het maken van een kaart van zowel de kern- als de schaalstructuren.

"We ontdekten dat de elementen zich niet vermengden op de grens tussen kern en schaal, wat een cruciale stap is, " zei CFN-natuurkundige Dong Su, coauteur en STEM-specialist. "De atomaire ordening in elk element, gekoppeld aan de juiste theoretische modellen, vertelt ons hoe en waarom de nieuwe nanokatalysator zijn magie doet."

Het bepalen van de ideale functionele configuratie voor de kern en de schaal vereiste ook het gebruik van de expertise van de CFN op het gebied van computationele wetenschap. Met dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen, de computer helpt bij het identificeren van de meest energetisch stabiele platina-rutheniumstructuur.

"De DFT-analyse verbindt de punten tussen prestatie en configuratie, en het bevestigt onze directe waarnemingen van röntgendiffractie en elektronenmicroscopie, ' zei Adzic.

Ontdekking tot implementatie

Ballard-energiesystemen, een bedrijf dat zich toelegt op de productie van brandstofcellen, onafhankelijk de prestaties van de nieuwe core-shell nanokatalysatoren geëvalueerd. Naast het testen van de hoge activiteit van de laag-platinakatalysatoren in zuivere waterstof, Ballard heeft specifiek gekeken naar de weerstand tegen koolmonoxide in onzuiver waterstofgas en de oplosweerstand tijdens opstart-/uitschakelcycli. De dubbellaagse nanokatalysator vertoonde een hoge duurzaamheid en verbeterde koolmonoxidetolerantie - de combinatie maakt het gebruik van onzuivere waterstof mogelijk zonder veel verlies aan efficiëntie of verhoging van de katalysatorkosten.

De nanokatalysator presteerde ook goed bij het produceren van waterstofgas via de waterstofevolutiereactie, leidend tot een ander industrieel partnerschap. Proton ter plaatse, een bedrijf dat gespecialiseerd is in het splitsen van waterstof uit water en andere soortgelijke processen, haalbaarheidstests heeft afgerond om de technologie in te zetten bij de productie van waterelektrolyseapparaten, waarvoor nu ongeveer 98 procent minder platina nodig is.

"Er zijn al waterelektrolysers op de markt, zodat deze nanokatalysator snel kan worden ingezet, Wang zei. "Wanneer waterstof-brandstofcelauto's de komende jaren op de markt komen, deze nieuwe structuur kan de ontwikkeling versnellen door de kosten voor zowel metaalkatalysatoren als brandstof te verlagen."