En faktor som håller tillbaka den utbredda användningen av miljövänliga vätebränsleceller i bilar, lastbilar och andra fordon är kostnaden för platinakatalysatorerna som får cellerna att fungera. Ett sätt att använda mindre dyrbar platina är att kombinera det med andra billigare metaller, men dessa legeringskatalysatorer tenderar att brytas ned snabbt under bränslecellsförhållanden.

Nu, forskare från Brown University har utvecklat en ny legeringskatalysator som både minskar platinaanvändningen och håller sig väl vid bränslecellstestning. Katalysatorn, tillverkad av att legera platina med kobolt i nanopartiklar, visade sig överträffa målen för det amerikanska energidepartementet (DOE) för år 2020 både vad gäller reaktivitet och hållbarhet, enligt tester som beskrivs i journalen Joule .

"Hållbarheten hos legeringskatalysatorer är en stor fråga på området, sa Junrui Li, en doktorand i kemi vid Brown och studiens huvudförfattare. "Det har visat sig att legeringar presterar bättre än ren platina initialt, men under förhållandena, inuti en bränslecell oxideras den oädla metalldelen av katalysatorn och lakas bort mycket snabbt."

För att lösa detta utlakningsproblem, Li och hans kollegor utvecklade legeringsnanopartiklar med en specialiserad struktur. Partiklarna har ett yttre skal av rent platina som omger en kärna gjord av omväxlande lager av platina- och koboltatomer. Den lagrade kärnstrukturen är nyckeln till katalysatorns reaktivitet och hållbarhet, säger Shouheng Sun, professor i kemi vid Brown och senior författare till forskningen.

"Det skiktade arrangemanget av atomer i kärnan hjälper till att jämna ut och dra åt platinagittret i det yttre skalet, ", sa Sun. "Det ökar reaktiviteten hos platina och skyddar samtidigt koboltatomerna från att ätas bort under en reaktion. Det är därför dessa partiklar presterar så mycket bättre än legeringspartiklar med slumpmässiga arrangemang av metallatomer."

Detaljerna om hur den ordnade strukturen förbättrar katalysatorns aktivitet beskrivs kortfattat i Joule papper, men närmare bestämt i ett separat datormodelleringspapper publicerat i Journal of Chemical Physics . Modellarbetet leddes av Andrew Peterson, en docent vid Browns School of Engineering, som också var medförfattare på Joule papper.

För det experimentella arbetet, forskarna testade katalysatorns förmåga att utföra syrereduktionsreaktionen, vilket är avgörande för bränslecellens prestanda och hållbarhet. På ena sidan av ett protonbytesmembran (PEM) bränslecell, elektroner som avlägsnas från vätebränsle skapar en ström som driver en elmotor. På andra sidan cellen, syreatomer tar upp dessa elektroner för att slutföra kretsen. Det görs genom syrereduktionsreaktionen.

Inledande tester visade att katalysatorn fungerade bra i laboratoriemiljö, bättre än en mer traditionell platinalegeringskatalysator. Den nya katalysatorn bibehöll sin aktivitet efter 30, 000 spänningscykler, medan den traditionella katalysatorns prestanda sjönk avsevärt.

Men medan laboratorietester är viktiga för att bedöma egenskaperna hos en katalysator, forskarna säger, de visar inte nödvändigtvis hur bra katalysatorn kommer att fungera i en verklig bränslecell. Bränslecellsmiljön är mycket varmare och skiljer sig i surhet jämfört med laboratorietestmiljöer, vilket kan påskynda katalysatornedbrytningen. För att ta reda på hur väl katalysatorn skulle hålla i den miljön, forskarna skickade katalysatorn till Los Alamos National Lab för testning i en riktig bränslecell.

Testerna visade att katalysatorn överträffar mål som satts upp av Department of Energy (DOE) för både initial aktivitet och långsiktig hållbarhet. DOE har utmanat forskare att utveckla katalysatorer med en initial aktivitet på 0,44 ampere per milligram platina till 2020, och en aktivitet på minst 0,26 ampere per milligram efter 30, 000 spänningscykler (ungefär motsvarande fem års användning i ett bränslecellfordon). Testning av den nya katalysatorn visade att den hade en initial aktivitet på 0,56 ampere per milligram och en aktivitet efter 30, 000 cykler på 0,45 ampere.

"Även efter 30, 000 cykler, vår katalysator överskred fortfarande DOE-målet för initial aktivitet, "Sun sa. "Den sortens prestanda i en verklig bränslecellsmiljö är verkligen lovande."

Forskarna har ansökt om ett provisoriskt patent på katalysatorn, och de hoppas kunna fortsätta att utveckla och förfina den.