I journalen Vetenskap , Argonne -kemister har identifierat en ny katalysator som maximerar platinas effektivitet.

Platina är en ädelmetall mer sällsynt än silver eller guld. Känd i bränslecellssamhället för sin effektivitet i att omvandla väte och syre till vatten och elektricitet, platina erbjuder oöverträffad aktivitet och stabilitet för elektrokemiska reaktioner.

Men platina är både knapp och dyr, vilket innebär att forskare vill skapa praktiska bränslecellskatalysatorer som använder mycket mindre av den dyrbara ädelmetallen.

I ny forskning från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, publicerad i Vetenskap , forskare har identifierat en ny katalysator som endast använder ungefär en fjärdedel så mycket platina som nuvarande teknik genom att maximera effektiviteten hos den tillgängliga platinan.

I en bränslecell, platina används på två sätt - för att omvandla väte till protoner och elektroner, och för att bryta syrebindningar och så småningom bilda vatten. Den senare reaktionen, syrereduktionsreaktionen, kräver en särskilt stor mängd platina, och forskare har letat efter ett sätt att minska platinahalten i syrereduceringskatalysatorer.

Argonne -forskare hittade nya sätt att avsevärt förbättra platinautnyttjandet. Först, de justerade platinans form för att maximera dess tillgänglighet och reaktivitet i katalysatorn. I denna konfiguration, några lager av rena platina atomer täcker en kobolt-platina legering nanopartikelkärna för att bilda en kärna-skal struktur.

"Om du bara ges en mycket liten mängd platina i första hand, du måste utnyttja det på bästa sätt, "sa Argonne-kemisten Di-Jia Liu, motsvarande författare till studien. "Att använda en legering av platina-koboltkärnhölje gör att vi kan få ett större antal katalytiskt aktiva partiklar att spridas över katalysatorytan, men detta är bara det första steget. "

Kärnskal-nanopartiklarna på egen hand kunde fortfarande inte hantera en stor syretillströmning när bränslecellen behöver skruva upp den elektriska strömmen. För att öka katalysatorns effektivitet, Liu och hans kollegor förlitade sig på ett annat tillvägagångssätt som de kände väl till från sin tidigare forskning, producerar en katalytiskt aktiv, platinagrupp metallfritt (PGM-fritt) substrat som stöd för nanopartiklarna av kobolt-platinumlegering.

Använda metallorganiska ramverk som föregångare, Liu och hans kollegor kunde framställa ett kobolt-kväve-kol-kompositsubstrat där de katalytiskt aktiva centra är jämnt fördelade nära platina-koboltpartiklarna. Sådana aktiva centra kan bryta syrebindningarna själva och arbeta synergistiskt med platina.

"Du kan tänka på det ungefär som ett molekylärt fotbollslag, "Sa Liu." Nanopartiklarna i kärnhöljet fungerar som defensiva linjemän tunt utspridda över hela fältet, försöker hantera för många syremolekyler samtidigt. Vad vi har gjort är att göra själva "fältet" katalytiskt aktivt, kan hjälpa till att hantera syre. "

Som det blev, den nya kombinerade katalysatorn förbättrade inte bara aktiviteten utan också hållbarheten jämfört med endera komponenten ensam.

Liu och hans kollegor har skapat en patenterad process som innebär att man först värmer upp kobolthaltiga metallorganiska ramverk. När temperaturen ökar, några av koboltatomerna interagerar med organiska ämnen för att bilda ett PGM-fritt substrat medan andra reduceras till väl dispergerade små metallkluster i hela substratet. Efter tillsats av platina följt av glödgning, platina-kobolt kärnskalskalpartiklar bildas och omges av PGM-fria aktiva platser.

Även om det slutliga målet är att helt eliminera platina från vätebränslecellkatalysatorer, Liu sa att den aktuella forskningen öppnar en ny riktning för att ta itu med både bränslecellskatalysatoraktivitet och hållbarhet på ett kostnadseffektivt sätt. "Eftersom de nya katalysatorerna endast kräver en ytterst låg mängd platina, liknande den som används i befintliga bilkatalysatorer, det kan hjälpa till att underlätta övergången från konventionella förbränningsmotorer till bränslecellsfordon utan att störa platina -försörjningskedjan och marknaden, " han sa.

Studien bestod av katalysatordesign och syntes, beräkningsmodellering och avancerad strukturell karakterisering vid Argonnes Advanced Photon Source och Center for Nanoscale Materials, båda DOE Office of Science användarfaciliteter.

Ett papper baserat på studien, "Ultralåglastande platina-koboltbränslecellkatalysatorer härledda från imidazolatramar, "dök upp i 8 november -numret av Vetenskap .