Wetenschappers van de afdeling Functionele Nanomaterialen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen hebben een functioneel ternair Pt/Re/SnO ontworpen en gesynthetiseerd ₂ /C-katalysator als anodemateriaal in een directe ethanolbrandstofcel. Het was mogelijk door platina te synthetiseren, rhenium- en tinoxide-nanodeeltjes met een bolvorm en zorgen voor fysiek contact tussen hen. Deze bevinding zal leiden tot de productie van efficiëntere, groenere en goedkopere brandstofcelkatalysatoren.

Een van de grootste uitdagingen waarmee de moderne wetenschap tegenwoordig wordt geconfronteerd, is de ontwikkeling van nieuwe, efficiënte en milieuvriendelijke technologieën voor het omzetten van chemische energie in elektriciteit. Ethanol brandstofcellen worden zo'n alternatieve energiebron. Ethanol lijkt de ideale brandstof van de toekomst, omdat, vergeleken met methanol of waterstof, het heeft een aanzienlijk lagere toxiciteit, geen problemen of bedreigingen oplevert bij opslag en transport, en kan ook uit biomassa worden gewonnen. Echter, de katalysatoren die worden gebruikt in directe ethanolbrandstofcellen (DEFC's) zijn niet voldoende effectief en produceren voornamelijk bijproducten in plaats van het verwachte ethanol-eindproduct, zoals kooldioxide. Deze stoffen adsorberen sterk op het oppervlak van platina, wat de meest gebruikte katalysator is. Als resultaat, ze blokkeren de katalytisch actieve plaatsen waardoor een verdere reactie wordt voorkomen, waardoor zogenaamde katalysatorvergiftiging wordt veroorzaakt en de algehele efficiëntie van het apparaat wordt verlaagd. Daarom, de belangrijkste uitdaging is het ontwikkelen van het juiste type katalysatoren.

Op platina en platina gebaseerde katalysatoren worden veel gebruikt in DEFC's. Ethanoladsorptie vindt plaats op het platinaoppervlak, die de oxidatiereactie veroorzaakt (Ethanol Oxidation Reaction-EOR). Vergiftigingsproblemen kunnen worden opgelost door andere componenten aan platina toe te voegen, zoals metallische rhodium- en tinoxiden, die de efficiëntie van de EOR verbeteren omdat ze een unieke en individuele rol spelen in de ethanoloxidatieroute. De functie van rhodium is om de koolstof-koolstofbinding in het ethanolmolecuul te splitsen, terwijl tindioxide hydroxylgroepen levert voor oxiderende tussenproducten en helpt het inactieve oppervlak van platina te deblokkeren. Naast rhodium en tin, elementen zoals Ru, Ir, Cu, Fe, Co, Ni en vele anderen worden ook gebruikt. Een ternaire nanokatalysator die platina- en rhodium-nanolegeringen bevat, afgezet op tinoxide, die momenteel wordt beschouwd als een van de meest efficiënte en selectieve configuraties in de ethanoloxidatiereactie, is ook uitgebreid onderzocht. Ook wordt gesuggereerd dat fysiek contact tussen nanodeeltjes een cruciale rol speelt.

Wetenschappers van de afdeling Functionele Nanomaterialen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen, onder leiding van Prof. Eng. Magdalena Parlinska-Wojtan, nam de taak op zich om een ​​nieuw materiaal te ontwerpen en te synthetiseren, die de rol van een anodekatalysator zou kunnen spelen. Voor dit doeleinde, ze besloten om het effect van rhenium te analyseren, gebruikt als een van de drie katalysatorcomponenten, over het verbeteren van de efficiëntie van de EOR. Bovendien, de onderzoekers gingen ervan uit dat door gebruik te maken van intermoleculaire interacties en elektrokinetische potentiaalmetingen, het zou mogelijk zijn om de afzonderlijk gesynthetiseerde Pt te assembleren, Re en SnO ₂ nanodeeltjes in dubbele en driedubbele combinaties om hun fysiek contact te verzekeren. Deze assemblage is mogelijk vanwege de tegengestelde waarden van de elektrokinetische potentiaal van elk type nanodeeltjes. Tijdens het uitvoeren van stabiliteitsstudies, de onderzoekers richtten zich ook op de duurzaamheid van de katalysator omdat de afbraak van nanokatalysatorcomponenten een ernstige factor is die de stabiliteit en commercialisering van katalysatoren beperkt.

"In de eerste fase van ons werk, we hebben de processen voor het verkrijgen van individuele nanodeeltjes geoptimaliseerd:platina, renium en tinoxide, die bedoeld waren om de componenten van een anodekatalysator te zijn, " zegt Dr. Eng. Elzbieta Drzymala van IFJ PAN, de hoofdauteur van de wetenschappelijke publicatie, het beschrijven van de details van de uitgevoerde onderzoeken. "Vervolgens, met behulp van intermoleculaire interacties, we zetten individueel gesynthetiseerde nanodeeltjes bij elkaar om fysiek contact tussen hen te verzekeren. Op deze manier, we hebben binaire en ternaire nanodeeltjescombinaties verkregen, die vervolgens werden afgezet op koolstofsubstraten met een gelijkmatige verdeling om ethanolmoleculen de beste toegang tot actieve oppervlakken te geven. De volgende stap was het bestuderen van de elektrochemische eigenschappen van geselecteerde binaire en ternaire combinaties, gezien hun potentiële gebruik als anodemateriaal in ethanolbrandstofcellen. Eindelijk, we vergeleken de resultaten van ons werk met een commerciële platinakatalysator."

De verkregen resultaten bleken erg belangrijk en moedigden verder onderzoek naar dit soort materialen aan. De door de IFJ PAN-groep ontwikkelde katalysator van Pt, Re en SnO ₂ nanodeeltjes kunnen met succes worden gebruikt als anodekatalysator in DEFC's. Analyses uitgevoerd met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) in combinatie met EDS-spectroscopie bevestigden het fysieke contact tussen de nanodeeltjes die het ternaire Pt/Re/SnO vormen ₂ /C-katalysator (zie afbeelding). Het is experimenteel bewezen door voltammetrische technieken dat deze ternaire katalysator een meer dan tien keer hogere activiteit vertoont in de ethanoloxidatiereactie in vergelijking met een commerciële platinakatalysator. Daarnaast, het is aangetoond dat de Pt/Re/SnO ₂ /C-katalysator heeft de beste stabiliteit - na testen, het bewaarde bijna 96% van het elektrochemisch actieve oppervlak (vergeleken met 12% voor de commerciële katalysator). Het is ook belangrijk dat de ternaire katalysator de laagste waarde van het beginpotentiaal vertoont - de waarde van het initiële oxidatiepotentieel is bijna 0,3 V lager in vergelijking met een commerciële platinakatalysator. Dus, het gebruik van rhenium als derde component en het zodanig verbinden van nanodeeltjes dat ze in fysiek contact blijven, leverde het gewenste effect van verbetering van de efficiëntie van de EOR op.

"Ons verdere onderzoek zal zich blijven toespitsen op brandstofcelkatalysatoren, " legt Dr. Eng. Drzymala uit. "Echter, een stap verder gaan, we willen graag de economische problemen oplossen en een katalytisch systeem ontwikkelen met betere of in ieder geval vergelijkbare eigenschappen maar zonder toevoeging van platina. Ik geloof dat het gebruik van platina-vrije nanodeeltjes versierd met kleine 2-nanometer SnO ₂ nanodeeltjes als componenten van een dergelijke katalysator zullen ons dichter bij het creëren van een volledig functioneel materiaal voor de brandstofcelanode brengen. Ik hoop dat de katalysator zonder platina binnenkort zal worden gesynthetiseerd bij de afdeling Functionele Nanomaterialen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen."