Fordon som drivs av polymerelektrolytmembranbränsleceller (PEMFC) är energieffektiva och miljövänliga, men trots det ökande allmänhetens intresse för PEMFC-drivna transporter, nuvarande prestanda hos material som används i bränsleceller begränsar deras utbredda kommersialisering.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory ledde ett team för att undersöka reaktioner i PEMFC, och deras upptäckter informerade skapandet av teknik som kunde föra bränsleceller ett steg närmare att förverkliga sin fulla marknadspotential.

PEMFC är beroende av väte som bränsle, som oxideras på cellens anodsida genom en väteoxidationsreaktion, medan syre från luften används för en syrereduktionsreaktion (ORR) vid katoden. Genom dessa processer, bränsleceller producerar elektricitet för att driva elmotorer i fordon och andra applikationer, avger vatten som enda biprodukt.

Platinumbaserad, nanostora partiklar är de mest effektiva materialen för att främja reaktioner i bränsleceller, inklusive ORR i katoden. Dock, förutom deras höga kostnader, platina nanopartiklar lider av gradvis nedbrytning, speciellt i katoden, vilket begränsar katalytisk prestanda och minskar bränslecellens livslängd.

Forskargruppen, som inkluderade DOE:s Oak Ridge National Laboratory och flera universitetspartners, använde en ny metod för att undersöka upplösningsprocesser av platina på atomär och molekylär nivå. Undersökningen gjorde det möjligt för dem att identifiera nedbrytningsmekanismen under den katodiska ORR, och insikterna styrde utformningen av en nanokatalysator som använder guld för att eliminera platinaupplösning.

"Upplösningen av platina sker på atomär och molekylär skala under exponering för den mycket korrosiva miljön i bränsleceller, sa Vojislav Stamenkovic, en senior forskare och gruppledare för gruppen för energiomvandling och lagring i Argonnes Materials Science Division (MSD). "Denna materialförsämring påverkar bränslecellens långsiktiga drift, utgör ett hinder för implementering av bränsleceller inom transport, speciellt i tunga applikationer som långdistanslastbilar."

Börjar smått

Forskarna använde en rad skräddarsydda karaktäriseringsverktyg för att undersöka upplösningen av väldefinierade platinastrukturer i enkristallytor, tunna filmer och nanopartiklar.

"Vi har utvecklat förmågor att observera processer i atomskala för att förstå mekanismerna som är ansvariga för upplösning och att identifiera de förhållanden under vilka det sker, sa Pietro Papa Lopes, en vetenskapsman i Argonnes MSD och första författare till studien. "Sedan implementerade vi denna kunskap i materialdesign för att mildra upplösning och öka hållbarheten."

Teamet studerade upplösningens art på grundläggande nivå med hjälp av ytspecifika verktyg, elektrokemiska metoder, induktivt kopplad plasmamasspektrometri, beräkningsmodellering och atomkraft, skanningstunnel och högupplösta transmissionsmikroskop.

Dessutom, forskarna förlitade sig på en syntes med hög precision för att skapa strukturer med väldefinierade fysikaliska och kemiska egenskaper, se till att sambandet mellan struktur och stabilitet som upptäcktes från att studera 2-D-ytor överfördes till 3D-nanopartiklarna som de producerade.

"Vi utförde dessa studier - från enkristaller, till tunna filmer, till nanopartiklar – som visade oss hur man syntetiserar platinakatalysatorer för att öka hållbarheten, "sa Lopes, "och genom att titta på dessa olika material, Vi har också identifierat strategier för att använda guld för att skydda platina."

Går för guld

När forskarna avslöjade upplösningens grundläggande natur genom att observera dess förekomst i flera testbäddsscenarier, teamet använde kunskapen för att mildra upplösningen med tillsats av guld.

Forskarna använde överföringselektronmikroskopimöjligheter vid Argonnes Center for Nanoscale Materials och vid Center for Nanophase Materials Sciences vid Oak Ridge National Laboratory - både DOE Office of Science User Facilities - för att avbilda platina nanopartiklar efter syntes och före och efter operation. Denna teknik gjorde det möjligt för forskarna att jämföra stabiliteten hos nanopartiklarna med och utan inkorporerat guld.

Teamet fann att kontrollerad placering av guld i kärnan främjar arrangemanget av platina i en optimal ytstruktur som ger hög stabilitet. Dessutom, guld deponerades selektivt på ytan för att skydda specifika platser som teamet identifierade som särskilt sårbara för upplösning. Denna strategi eliminerar upplösning av platina från även de minsta nanopartiklar som används i denna studie genom att hålla platinaatomer fästa vid de platser där de fortfarande effektivt kan katalysera ORR.

Förståelse på atomnivå

Att förstå mekanismerna bakom upplösning på atomnivå är viktigt för att avslöja sambandet mellan platinaförlust, ytstruktur och storlek och förhållande av platina nanopartiklar, och bestämma hur dessa relationer påverkar långsiktig drift.

"Den nya delen av denna forskning är att lösa mekanismerna och helt mildra platinaupplösningen genom materialdesign i olika skalor, från enkristaller och tunna filmer till nanopartiklar, ", sa Stamenkovic. "Det är de insikter vi fick i samband med designen och syntesen av ett nanomaterial som tar itu med hållbarhetsfrågor i bränsleceller, liksom förmågan att avgränsa och kvantifiera upplösning av platina -katalysator från andra processer som bidrar till bränslecells prestandaförfall. "

Teamet utvecklar också en prediktiv åldringsalgoritm för att bedöma den långsiktiga hållbarheten hos de platinabaserade nanopartiklarna och fann en 30-faldig förbättring av hållbarheten jämfört med nanopartiklar utan guld.

Ett papper om studien, med titeln "Eliminering av upplösning av platinabaserade elektrokatalysatorer på atomär skala, " publicerades den 20 juli i Naturmaterial .