(Phys.org) – Strävan efter att utnyttja väte som framtidens rent brinnande bränsle kräver de perfekta katalysatorerna – maskiner i nanoskala som förbättrar kemiska reaktioner. Forskare måste justera atomstrukturer för att uppnå en optimal balans av reaktivitet, varaktighet, och industriell skala syntes. I en framväxande katalysgräns, forskare söker också nanopartiklar som är toleranta mot kolmonoxid, en förgiftande förorening i väte som härrör från naturgas. Detta orena bränsle – 40 procent billigare än det rena vätet som produceras av vatten – förblir i stort sett outnyttjat.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory – i forskning publicerad online den 18 september, 2013 i tidningen Naturkommunikation —har skapat en högpresterande nanokatalysator som uppfyller alla dessa krav. Den nya kärnan-skal-strukturen - rutenium belagd med platina - motstår skador från kolmonoxid eftersom den driver de energiska reaktionerna som är centrala för elfordons bränsleceller och liknande teknologier.

"Dessa nanopartiklar uppvisar perfekt atomär ordning i både rutenium och platina, övervinna strukturella defekter som tidigare förlamade kolmonoxidtoleranta katalysatorer, " sa studiemedförfattare och Brookhaven Lab-kemist Jia Wang. "Vår mycket skalbara, "grön" syntesmetod, som avslöjats av bildtekniker i atomskala, öppnar nya och spännande möjligheter för katalys och hållbarhet."

Tillverkning av kristaller med Atomic Perfection

Katalysatorer inuti bränsleceller bänder loss den inneboende energin hos vätemolekyler och omvandlar den till elektricitet. Platina presterar exceptionellt bra med rent vätebränsle, men metallens höga kostnad och sällsynthet hindrar dess utbredda användning. Genom att belägga billigare metaller med tunna lager av platinaatomer, dock, forskare kan behålla reaktiviteten samtidigt som de sänker kostnaderna och skapar kärna-skal-strukturer med överlägsna prestandaparametrar.

Kolmonoxidföroreningarna i väte som bildas av naturgas utgör en annan utmaning för forskarna eftersom de inaktiverar de flesta platinakatalysatorer. Rutenium – billigare än platina – främjar kolmonoxidtolerans, men är mer benägen att lösas upp under bränslecellers start/avstängning, orsakar gradvis försämring av prestanda.

"Vi bestämde oss för att skydda ruteniumkärnor från upplösning med kompletta platinaskal bara en eller två atomer tjocka, " sade Wang. "Tidigare ytvetenskapliga studier avslöjade anmärkningsvärd variation av ytegenskaper i denna kärna-skal-konfiguration, föreslår behovet och möjligheten att perfekta receptet med exakt kontroll."

Det fanns tvivel om huruvida en högordnad ruteniumkärna ens var möjlig med ett platinaskal - tidigare syntetiserade nanopartiklar uppvisade en försvagad kristallstruktur i ruteniumet.

"Lyckligtvis, fann vi att förlusten av ruteniumstruktur berodde på defektförmedlad diffusion mellan skikten, som går att undvika, ", sa Wang. "Genom att eliminera eventuella gallerdefekter i ruteniumnanopartiklar innan du lägger till platina, vi bevarade det avgörande, diskret atomstruktur för varje element."

Den skalbara och billiga syntesmetoden använder etanol - ett vanligt och billigt lösningsmedel - som reduktionsmedel för att tillverka nanopartikelkärnan och skalet. Den sofistikerade processen kräver inga andra organiska medel eller metallmallar.

"Justera bara temperaturen, vatten, och surheten i lösningarna gav oss fullständig kontroll över processen och gav anmärkningsvärt konsekvent ruteniumnanopartikelstorlek och enhetlig platinabeläggning, " sa Brookhaven Lab-kemist Radoslav Adzic, en annan medförfattare på studien. "Denna enkelhet erbjuder hög reproducerbarhet och skalbarhet, och det visar vår metods tydliga kommersiella potential."

Kärnskalkarakterisering

"Vi tog de färdiga katalysatorerna till andra anläggningar här på labbet för att avslöja de exakta detaljerna i atomstrukturen, "Wang sa. "Den här typen av snabbt samarbete är bara möjligt när du arbetar precis bredvid experter och instrument i världsklass."

Forskare vid Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source (NSLS) avslöjade atomdensiteten, distribution, och enhetlighet hos metallerna i nanokatalysatorerna med en teknik som kallas röntgendiffraktion, där högfrekvent ljus sprids och böjs efter att ha interagerat med enskilda atomer. Samarbetet använde också ett skanningstransmissionselektronmikroskop (STEM) vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN) för att lokalisera de olika subnanometer-atommönstren. Med detta instrument, en fokuserad stråle av elektroner bombarderade partiklarna, skapa en karta över både kärn- och skalstrukturer.

"Vi fann att elementen inte blandade sig vid gränsen mellan kärna och skal, vilket är ett kritiskt steg, " sa CFN fysiker Dong Su, medförfattare och STEM-specialist. "Atomordningen i varje element, tillsammans med rätt teoretiska modeller, berättar om hur och varför den nya nanokatalysatorn gör sin magi."

Att bestämma den ideala funktionella konfigurationen för kärnan och skalet krävde också användningen av CFN:s expertis inom beräkningsvetenskap. Med densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar, datorn hjälper till att identifiera den mest energiskt stabila platina-ruteniumstrukturen.

"DFT-analysen kopplar ihop punkterna mellan prestanda och konfiguration, och det bekräftar våra direkta observationer från röntgendiffraktion och elektronmikroskopi, " sa Adzic.

Upptäckt till implementering

Ballard Power Systems, ett företag dedikerat till produktion av bränsleceller, självständigt utvärderat prestandan för de nya kärn-skal nanokatalysatorerna. Utöver att testa lågplatinakatalysatorernas höga aktivitet i rent väte, Ballard tittade specifikt på motståndet mot kolmonoxid som finns i oren vätgas och upplösningsmotståndet under start-/avstängningscykler. Nanokatalysatorn med två skikt uppvisade hög hållbarhet och förbättrad kolmonoxidtolerans - kombinationen möjliggör användning av orent väte utan stor förlust i effektivitet eller ökning av katalysatorkostnad.

Nanokatalysatorn presterade också bra i att producera vätgas genom väteutvecklingsreaktionen, leder till ytterligare ett industriellt partnerskap. Proton på plats, ett företag specialiserat på att klyva väte från vatten och andra liknande processer, har genomfört genomförbarhetstester för att använda tekniken i sin produktion av vattenelektrolysatorer, vilket nu kommer att kräva cirka 98 procent mindre platina.

"Vattenelektrolysatorer finns redan på marknaden, så denna nanokatalysator kan distribueras snabbt, " sa Wang. "När fordon med vätebränsleceller rullar ut under de kommande åren, den här nya strukturen kan påskynda utvecklingen genom att sänka kostnaderna för både metallkatalysatorer och bränsle."