En längre varaktig, högre effektivitet platinakatalysator har utvecklats av ett Dalhousie University-ledda team, ett resultat med stora konsekvenser för bilindustrin.

Platinakatalysatorer hjälper till att deaktivera giftiga avgaser från traditionella bilmotorer. Platina används också för att driva de kemiska reaktionerna som gör vätebränsleceller med nollutsläpp möjliga – en teknik som kan förvandla bilar som vi känner dem.

Den nya katalysatorn kombinerar guld och platina för att bilda vad som är känt som en enatomskatalysator, vilket resulterar i nästan 100 gånger högre effektivitet jämfört med marknadens platinakatalysatorer, säger Peng Zhang, Dalhousie-professorn som ledde denna forskning.

Inte bara förbättras effektiviteten i början, men det bibehålls under katalysatorns livstid:normalt, en platinakatalysator fungerar mindre bra över tid eftersom kolmonoxidmolekyler binder tätt till och blockerar platina från att hjälpa reaktionerna.

Förbättringar kommer från två egenskaper:enkelatomstrukturen, som maximerar platinas aktiva yta, och de unika elektroniska egenskaperna som tillsats av guld för att skapa en legering hjälper till att uppnå.

"Magin uppstår på grund av legeringen. Tänk på järn:det blir väldigt lätt rostigt i luften, men om du har en järnlegering, som rostfritt stål, dess egenskaper är helt olika, säger Zhang.

Till exempel, Att göra en guld-platinalegering stoppar platinakatalysatorn från att förlora effektivitet och "förgifta" över tiden. Katalysatorförgiftning är en av de stora striderna.

Detta beror på att om två platinaatomer är sida vid sida, sedan binder kolmonoxid från den kemiska reaktionen tätt till dem, förgifta katalysatorn och gradvis försämra dess effektivitet. När forskare säkerställer att det inte finns några platinakluster inom ett större guldgitter, förgiftningseffekten försvinner.

Zhangs team arbetade med tre kanadensiska ljuskällor vid University of Saskatchewan för att förstå och testa deras legerade katalysatorer, eftersom de provade olika kombinationer och strukturer av platina och guld.

"Synkrotroner är ett av de mest kraftfulla verktygen att studera. Legeringar är superhårda att studera med vanliga verktyg, eftersom det är svårt att skilja de två metallerna från varandra, " säger Zhang. "Med en synkrotron, du kan enkelt ställa in energin för att bara ta platina, och sedan guldet."

När forskarna minskade platinahalten i sin katalysator, de fann stora förbättringar i dess funktion, tills de slutligen träffade modellen med en atom som maximerade platinas yta och minimerade förgiftning.

Ytterligare, teamet fann att den enkla kemiska tekniken de använde för att framställa legeringen resulterade i en högre total koncentration av platinaatomer än typiska legeringar med nästan 10 gånger. Legeringar innehåller normalt mycket låga koncentrationer av enstaka atomer, under 1 %. Zhangs team skapade en legering med 7 % enkelplatinaatomer.

Arbetet är ännu inte gjort, självklart. Zhang och hans team byggde denna första legering med guld eftersom den är mycket stabil, vilket gör det bra för att testa nya idéer. Men självklart, som platina, guld är väldigt dyrt.

"Guld är ett första steg för att visa konceptet. Vi vill nu titta på andra, billigare metaller, vilket kommer att göra detta mer användbart för industrin, säger Zhang.