Er is een dringende noodzaak om de klimaatverandering aan te pakken, waardoor de ontwikkeling van duurzame energiealternatieven belangrijker dan ooit is. Hoewel protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC's) veelbelovend zijn gebleken voor de energieproductie, vooral in de transportsector, bestaat er al lang een probleem met hun duurzaamheid en kosten.

Een westers onderzoeksteam heeft dit probleem aangepakt met een nieuw kobalt-gemodificeerd nanomateriaal dat PEMFC's robuuster, gemakkelijker verkrijgbaar en ecologisch duurzamer maakt, waarbij slechts een verlies van twee procent in efficiëntie wordt aangetoond na 20.000 cycli in een duurzaamheidstest.

Het nieuwe nanomateriaal wordt gebruikt om de zuurstofreductiereactie (ORR) te verbeteren, het proces dat water vormt in de brandstofcel, waardoor een hogere stroomsterkte mogelijk is voor een efficiëntere energieopwekking. Het met kobalt gemodificeerde nanomateriaal vermindert ook de afhankelijkheid van platina om deze brandstofcellen te construeren. Een kostbaar edelmetaal, dat voornamelijk in Zuid-Afrika wordt gewonnen. Jaarlijks wordt er slechts een paar honderd ton platina geproduceerd.

Tsun-Kong (T.K.) Sham, Xueliang (Andy) Sun, Ali Feizabadi en hun medewerkers bij de afdeling chemie en Western Engineering van Western introduceerden de nieuwe met kobalt gemodificeerde ORR-katalysator in The Journal of Physical Chemistry C.

"Baanbrekende benaderingen, waaronder het legeren van platina met andere overgangsmetalen en het vervaardigen van kern-schilstructuren, bieden opwindende mogelijkheden door de vraag naar platina in brandstofcellen te verminderen terwijl de uitzonderlijke katalytische activiteit behouden blijft", zegt Sham, Canada Research Chair in Materials and Synchrotron Radiation. en een senior auteur van het onderzoek. "Maar ondanks aanzienlijke vooruitgang blijft de achilleshiel de duurzaamheid van deze katalysatoren vanwege inherent onstabiele structuren."

Het team van Sham en Sun gebruikte een methode genaamd 'kobaltdoping' om het oppervlak en de nabije oppervlaktegebieden van platina-palladium kern-schil nanodeeltjes te modificeren.

"Doping is de praktijk waarbij zeer kleine hoeveelheden van bepaalde vreemde atomen in de kristallijne structuur van een nanodeeltje worden geïntroduceerd om de elektronische eigenschappen ervan te wijzigen. Deze vreemde atomen worden doteermiddelen genoemd", zegt Feizabadi, een voormalig onderzoeksanalist bij de Sham-onderzoeksgroep en hoofdauteur van het onderzoek.

De nieuwe met kobalt gedoteerde nanodeeltjes vertonen uitzonderlijke stabiliteit en verdragen slechts een verlies van twee procent in initiële activiteit na een 'slopende' 20.000 cycli van een versnelde duurzaamheidstest, die werd gebruikt om dieper inzicht te krijgen in de afbraakmechanismen van katalysatoren in gecontroleerde laboratoriumomgevingen. P>

"Dit onderstreept de opmerkelijke rol van kobalt bij het verbeteren van de katalytische activiteit en het versterken van de structurele integriteit van de katalysator", zegt Sham, een wereldleider in de ontwikkeling van nieuwe röntgenspectroscopische technieken.

Voor een beter begrip van het gedrag en de samenstelling van de katalysator heeft het onderzoeksteam de nieuwe nanodeeltjes bestudeerd met behulp van Hard X-ray Micro-Analysis Beamline bij Canadian Light Source, Canada's nationale synchrotronlichtbronfaciliteit aan de Universiteit van Saskatchewan.

De nanodeeltjes werden voor het onderzoek ook geanalyseerd bij de Advanced Photon Source in Lemont, Illinois en de Taiwan Photon Source.

"Deze met kobalt gedoteerde nanodeeltjes zijn veelbelovend als zeer efficiënte en duurzame ORR-katalysatoren en vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van brandstofceltechnologie", zegt Sun, hoogleraar Western Engineering en vooraanstaand expert op het gebied van nanomaterialen en schone energie.

"Deze alomvattende aanpak werpt een nieuw licht op het gedrag en de structuur van de katalysator en brengt ons een stap dichter bij duurzame energieoplossingen."

Meer informatie: Ali Feizabadi et al, Cobalt-Doped Pd@Pt Core-Shell Nanodeeltjes:een correlatieve studie van elektronische structuur en katalytische activiteit in ORR, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c04274

Journaalinformatie: Journal of Physical Chemistry C

Aangeboden door Universiteit van West-Ontario