Platina wordt al lang als katalysator gebruikt om de oxidatiereductiereactie in het centrum van brandstofceltechnologie mogelijk te maken. Maar de hoge kosten van het metaal zijn een factor die brandstofcellen heeft belemmerd om te concurreren met goedkopere manieren om auto's en huizen van stroom te voorzien.

Nu hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology een nieuw op platina gebaseerd katalytisch systeem ontwikkeld dat veel duurzamer is dan traditionele commerciële systemen en een potentieel langere levensduur heeft. Het nieuwe systeem zou op lange termijn, de productiekosten van brandstofcellen te verlagen.

In de studie, die op 15 juli werd gepubliceerd in het ACS-tijdschrift Nano-letters , beschreven de onderzoekers een mogelijke nieuwe manier om een ​​van de belangrijkste oorzaken van degradatie van platinakatalysatoren op te lossen, sinteren, een proces waarbij platinadeeltjes migreren en samenklonteren, het specifieke oppervlak van het platina verminderen en de katalytische activiteit doen afnemen.

Om dit sinteren te verminderen, de onderzoekers bedachten een methode om de platinadeeltjes aan hun koolstofdragermateriaal te verankeren met behulp van stukjes van het element selenium.

"Er zijn strategieën om sinteren te verminderen, zoals het gebruik van platinadeeltjes die uniform van grootte zijn om de chemische instabiliteit daartussen te verminderen, " zei Zhengming Cao, een bezoekende afgestudeerde student aan Georgia Tech. "Deze nieuwe methode waarbij selenium wordt gebruikt, resulteert in een sterke metaal-ondersteuningsinteractie tussen platina en het koolstofondersteuningsmateriaal en dus een opmerkelijk verbeterde duurzaamheid. de platinadeeltjes kunnen worden gebruikt en klein worden gehouden om een ​​hoge katalytische activiteit te bereiken met het grotere specifieke oppervlak."

Het proces begint met het laden van seleniumbolletjes op nanoschaal op het oppervlak van een commerciële koolstofdrager. Het selenium wordt vervolgens onder hoge temperaturen gesmolten, zodat het zich verspreidt en het oppervlak van de koolstof gelijkmatig bedekt. Vervolgens, het selenium wordt omgezet met een zoutvoorloper tot platina om platinadeeltjes te genereren die kleiner zijn dan twee nanometer in diameter en gelijkmatig verdeeld zijn over het koolstofoppervlak.

De covalente interactie tussen het selenium en platina zorgt voor een sterke verbinding om de platinadeeltjes stabiel aan de koolstof te verankeren.

"Het resulterende katalysatorsysteem was opmerkelijk, zowel vanwege zijn hoge activiteit als katalysator als zijn duurzaamheid, " zei Younan Xia, professor en Brock Family Chair in de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University.

Vanwege het grotere specifieke oppervlak van het platina op nanoschaal, het nieuwe katalytische systeem vertoonde aanvankelijk een katalytische activiteit die drie en een half keer hoger was dan de oorspronkelijke waarde van een ultramoderne commerciële platina-koolstofkatalysator. Vervolgens, het onderzoeksteam testte het katalytische systeem met behulp van een versnelde duurzaamheidstest. Ook na 20 000 cycli van elektropotentiaal vegen, het nieuwe systeem zorgde nog steeds voor een katalytische activiteit die meer dan drie keer zo groot was als die van het commerciële systeem.

De onderzoekers gebruikten transmissie-elektronenmicroscopie in verschillende stadia van de duurzaamheidstest om te onderzoeken waarom de katalytische activiteit zo hoog bleef. Ze ontdekten dat de seleniumankers effectief waren om de meeste platinadeeltjes op hun plaats te houden.

"Na 20, 000 cycli, de meeste deeltjes bleven op de koolstofdrager zonder losraken of aggregatie, "Zei Cao. "Wij geloven dat dit type katalytisch systeem een ​​groot potentieel heeft als schaalbare manier om de duurzaamheid en activiteit van platinakatalysatoren te vergroten en uiteindelijk de haalbaarheid van het gebruik van brandstofcellen voor een breder scala aan toepassingen te verbeteren."