Onderzoekers van de Ruhr-Universität Bochum en het Fritz Haber Instituut Berlijn hebben een nieuwe methode ontwikkeld om zeldzame en dure katalysatoren te conserveren en spaarzaam te gebruiken. Ze sloten een edelmetaalzout in kleine micellen, en sloeg ze tegen een koolstofelektrode, waardoor het oppervlak wordt bedekt met nanodeeltjes van het edelmetaal dat zich in de micellen bevindt. Tegelijkertijd, het team analyseerde precies hoeveel van het metaal was afgezet. De onderzoekers toonden vervolgens aan dat de op deze manier gecoate elektrode de zuurstofreductie efficiënt kon katalyseren, dat is het beperkende chemische proces in brandstofcellen.

Het team, onder leiding van professor Kristina Tschulik en Mathies Evers van de Bochum Research Group for Electrochemistry and Nanoscale Materials beschrijft het proces in het tijdschrift Angewandte Chemie , vooraf online gepubliceerd op 11 april 2019.

Produceren van deeltjes van dezelfde grootte

De onderzoeksgroep maakte met behulp van micellen de gouden nanodeeltjes. De deeltjes bestonden aanvankelijk uit een voorloperstof, chloorgoudzuur, die was verpakt in een buitenste polymeer omhulsel. Het voordeel:"Als we gouden nanodeeltjes produceren met behulp van micellen, de nanodeeltjes hebben allemaal een bijna identieke grootte, " zegt Kristina Tschulik, een hoofdonderzoeker van het Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Slechts een bepaalde lading van het voorlopermateriaal, waaruit een enkel deeltje van een bepaalde grootte wordt geproduceerd, past in de kleine micel. "Omdat deeltjes van verschillende grootte verschillende katalytische eigenschappen hebben, het is belangrijk om de deeltjesgrootte te regelen door middel van de beladingshoeveelheid van de micel, ", voegt Tschulik toe.

Uniforme coating, zelfs op complexe oppervlakken

Om de cilindrische elektrode te coaten, de onderzoekers dompelden het onder in een oplossing die de geladen micellen bevat en zetten een spanning op de elektrode. De willekeurige beweging van de micellen in de oplossing zorgde ervoor dat ze na verloop van tijd tegen het elektrodeoppervlak sloegen.

Daar, de buitenste schil barstte open en de goudionen van het chloorgoudzuur reageerden om elementair goud te vormen, die zich als een uniforme laag nanodeeltjes aan het elektrodeoppervlak hechtte. "Alleen vlakke substraten kunnen uniform worden gecoat met nanodeeltjes met behulp van standaardmethoden, " legt Tschulik uit. "Ons proces zorgt ervoor dat zelfs complexe oppervlakken gelijkmatig kunnen worden geladen met een katalysator."

Gescheiden hoeveelheid nauwkeurig controleerbaar

Terwijl de goudionen van het chloorgoudzuur reageren om elementair goud te vormen, elektronen stromen. Door de resulterende stroom te meten, de chemici kunnen precies bepalen hoeveel materiaal is gebruikt om de elektrode te coaten. Tegelijkertijd, de methode registreert de impact van elk afzonderlijk deeltje en zijn grootte.

De onderzoekers testten met succes de zuurstofreductiereactie van de gecoate elektroden met behulp van het nieuwe proces. Ze bereikten een activiteit zo hoog als die van naakte gouden nanodeeltjes zonder buitenste schil. Door de uniforme coating van het oppervlak, ze namen ook een reactiesnelheid waar die bijna net zo hoog was als die van elektroden die volledig bedekt waren met goud en massief gouden elektroden met een dekking van slechts elf procent.