En bättre platinakatalysator för bränsleceller

En ny typ av katalysator kan leda till bränsleceller som använder en femtedel av den platina de använder nu. Det nya materialet, utvecklat av forskare vid University of Houston, Technical University of Berlin i Tyskland, och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, CA, består av nanopartiklar med kärnor gjorda av en koppar-platinalegering och en yttre skal som mestadels är platina. Materialet är upp till fem gånger så effektivt som vanlig platina.

Glänsande skal: När en fyra nanometer nanopartikel av platina-kopparlegering (överst) utsätts för en cyklisk växelström, separeras kopparatomer från ytan, vilket skapar ett skal rikt på platina, som avbildar ljusare (botten) under ett skanningstransmissionselektronmikroskop.

Platina och platinalegeringar är de mest effektiva katalysatorerna för att påskynda kemiska reaktioner i vätebränsleceller. Platina är den enda metallen som tål de sura förhållandena inuti en sådan cell, men den är dyr, och detta har begränsat de breda, storskaliga tillämpningarna av bränsleceller. Dessutom kommer cirka 90 procent av världens platinatillförsel från bara två länder – Sydafrika och Ryssland.

Det nya materialet uppfyller redan U.S. Department of Energys mål för 2015 för platinakatalysatorer: producera minst 0,44 ampere elektrisk ström per milligram platina. Den producerar upp till 0,49 ampere per milligram platina, och forskarna tror att det borde vara möjligt att öka materialets katalytiska aktivitet ännu mer. Om vi ​​kunde få ytterligare en faktor på två [förbättring av katalytisk aktivitet] tror vi att kostnaden för platina i dessa bränsleceller skulle göra tekniken mer praktisk, säger SLAC-fysikern Anders Nilsson .

Det här är ett utmärkt arbete som borde göra det möjligt för oss att använda mindre platina i bränsleceller, säger Jean-Pol Dodelet , professor i energi, material och telekommunikation vid Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Quebec.

Vid anoden på en konventionell protonutbytesmembran (PEM) bränslecell delar katalysatorn väte till vätejoner och elektroner, varvid de senare flödar ut ur cellen för att skapa ström. Vid katoden kombineras syremolekyler med elektroner och vätejoner för att bilda vatten. Denna reaktion är trög och att påskynda den kräver 10 gånger så mycket platina som används vid anoden. Om du försöker ersätta platina är det viktigare att byta ut platina vid katoden, säger Dodelet.

Peter Strasser, professor i kemiteknik vid både University of Houston och Tekniska universitetet i Berlin , började arbeta på en ny typ av katalysator 2005, avsättning av nanopartiklar av en koppar-platinalegering på kolbärare. När en cyklisk växelström appliceras på materialet separeras kopparn från ytområdet, vilket ger nanopartiklarna ett platinarikt yttre skikt.

I en nyligen Naturkemi avslöjar forskarna mekanismen som gör denna katalysator mer aktiv än vanlig platina. Genom att studera hur röntgenstrålar sprids av den nya katalysatorn upptäckte de att avståndet mellan platinaatomerna som finns kvar på ytan av nanopartiklarna är mindre än avståndet i rena platinananopartiklar. En bra katalysator bör kunna dela upp syremolekyler till atomer men bör inte binda för starkt till de fria atomerna; det kortare avståndet mellan platinaatomerna i det nya materialet gör det till en mer effektiv katalysator eftersom det binder ännu svagare till syreatomerna.

Det finns alternativ till att använda platina som katalysator. Dodelet och hans grupp har arbetat med General Motors för att utveckla en lovande järnbaserad katalysator som de nu arbetar med att kommersialisera. Samtidigt är lågkostnads-nanorörskatalysatorer och nickelkatalysatorer i arbete för alkaliska bränslecellskemi.

Platinafria katalysatorer har andra fördelar än deras låga kostnad, säger Kalkning Dai , en materialteknikprofessor vid University of Dayton, i Ohio, som arbetar med kolnanorörskatalysatorer. Platinananopartiklar tenderar att förlora sin katalytiska effektivitet genom att aggregera till större partiklar med tiden eller när kolmonoxid fastnar på deras yta. Kolnanorör är mer robusta på lång sikt, säger Dai.

Det här är intressant arbete och ett viktigt framsteg eftersom mekanismen skulle kunna tillämpas på andra katalysatorer, säger Dai om den nya platinakatalysatorn. Det skulle vara intressant att kolla in den långsiktiga stabiliteten och kolmonoxidförgiftningseffekten för denna typ av kärna-skal-katalysator.

Strasser håller med om att den nya katalysatorn kommer att behöva testas ytterligare. Men den större storleken på kärn-skal-partiklarna gör dem i sig mer stabila än ren platina, säger han. Valet av denna metall gör också skillnad. Vi är övertygade om att alternativa icke-platinametaller i kärnan, som kobolt eller nickel, kommer att lösa stabilitetsproblemet samtidigt som aktivitetsfördelen med kärnan-skalstrukturen bibehålls, säger Strasser.

Det nya materialet har även testats i fungerande bränsleceller, vilket kan vara en avgörande marknadsfördel. De flesta av dessa andra katalysatorer mättes i elektrokemiska mätningar, säger han. De har potential att användas i framtiden, men den här [nya katalysatorn] är något vi har som du kan lägga i riktiga bränsleceller idag.

Dölj