Vätebränsleceller är en lovande teknik för att producera ren och förnybar energi, men kostnaden och aktiviteten för deras katodmaterial är en stor utmaning för kommersialisering. Många bränsleceller kräver dyra platinabaserade katalysatorer - ämnen som initierar och påskyndar kemiska reaktioner - för att hjälpa till att omvandla förnybara bränslen till elektrisk energi. För att göra vätebränsleceller kommersiellt livskraftiga, forskare letar efter mer prisvärda katalysatorer som ger samma effektivitet som ren platina.

"Som ett batteri, vätebränsleceller omvandlar lagrad kemisk energi till elektricitet. Skillnaden är att du använder ett påfyllningsbart bränsle så, i princip, det "batteriet" skulle hålla för evigt, "sa Adrian Hunt, en forskare vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science vid DOE:s Brookhaven National Laboratory. "Att hitta en billig och effektiv katalysator för vätebränsleceller är i grunden den heliga gralen för att göra denna teknik mer genomförbar."

Medverkar i denna globala sökning efter bränslecellkatodmaterial, forskare vid University of Akron utvecklade en ny metod för att syntetisera katalysatorer från en kombination av metaller – platina och nickel – som bildar oktaedriska (åttasidiga) formade nanopartiklar. Medan forskare har identifierat denna katalysator som en av de mest effektiva ersättningarna för ren platina, de har inte helt förstått varför den växer i en oktaedrisk form. För att bättre förstå tillväxtprocessen, forskarna vid University of Akron samarbetade med flera institutioner, inklusive Brookhaven och dess NSLS-II.

"Att förstå hur den facetterade katalysatorn bildas spelar en nyckelroll för att etablera dess struktur-egenskapskorrelation och utforma en bättre katalysator, "sade Zhenmeng Peng, huvudutredare för katalyslabbet vid University of Akron. "Växtprocessfodralet för platina-nickelsystemet är ganska sofistikerat, så vi samarbetade med flera erfarna grupper för att ta itu med utmaningarna. De banbrytande teknikerna vid Brookhaven National Lab var till stor hjälp för att studera detta forskningsämne."

Genom att använda den ultraljusa röntgenstrålningen vid NSLS-II och de avancerade funktionerna hos NSLS-II:s in situ och Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) strållinje, forskarna avslöjade den kemiska karaktäriseringen av katalysatorns tillväxtväg i realtid. Deras resultat publiceras i Naturkommunikation .

"Vi använde en forskningsteknik som kallas omgivande tryckröntgenfotoelektronspektroskopi (AP-XPS) för att studera ytsammansättningen och kemiska tillståndet hos metallerna i nanopartiklarna under tillväxtreaktionen, sade Iradwikanari Waluyo, ledande forskare vid IOS och en motsvarande författare till forskningsrapporten. "I denna teknik, vi riktar röntgenstrålar mot ett prov, vilket gör att elektroner släpps ut. Genom att analysera energin hos dessa elektroner, vi kan skilja de kemiska elementen i provet, såväl som deras kemiska och oxidationstillstånd."

Jaga, som också är författare på tidningen, Lagt till, "Det liknar hur solljus interagerar med våra kläder. Solsken är ungefär gult, men när det väl träffar en persons skjorta, du kan se om skjortan är blå, röd, eller grön."

Snarare än färger, forskarna identifierade kemisk information på katalysatorns yta och jämförde den med dess inre. De upptäckte att under tillväxtreaktionen, metallisk platina bildas först och blir kärnan i nanopartiklarna. Sedan, när reaktionen når en något högre temperatur, platina hjälper till att bilda metalliskt nickel, som senare segregerar till ytan av nanopartikeln. I de sista stadierna av tillväxt, ytan blir ungefär en lika stor blandning av de två metallerna. Denna intressanta synergistiska effekt mellan platina och nickel spelar en betydande roll i utvecklingen av nanopartikelns oktaedriska form, såväl som dess reaktivitet.

"Det fina med dessa fynd är att nickel är ett billigt material, medan platina är dyrt, " sa Hunt. "Så, om nickel på ytan av nanopartikeln katalyserar reaktionen, och dessa nanopartiklar är fortfarande mer aktiva än platina i sig, då förhoppningsvis, med mer forskning, vi kan räkna ut den minsta mängden platina att lägga till och fortfarande få den höga aktiviteten, skapa en mer kostnadseffektiv katalysator."

Resultaten berodde på de avancerade funktionerna hos IOS, där forskarna kunde köra experimenten vid gastryck högre än vad som vanligtvis är möjligt i konventionella XPS-experiment.

"På IOS, vi kunde följa förändringar i nanopartiklarnas sammansättning och kemiska tillstånd i realtid under de verkliga tillväxtförhållandena, " sa Waluyo.

Ytterligare röntgen- och elektronavbildningsstudier genomförda vid Advanced Photon Source (APS) vid DOE:s Argonne National Laboratory - en annan DOE Office of Science User Facility - och University of California-Irvine, respektive, kompletterade arbetet på NSLS-II.

"Detta grundläggande arbete belyser den viktiga roll som segregerat nickel spelar för att bilda den oktaedriska katalysatorn. Vi har uppnått mer insikt i formkontroll av katalysatornanopartiklar, "Sade Peng. "Vårt nästa steg är att studera de katalytiska egenskaperna hos de facetterade nanopartiklarna för att förstå korrelationen mellan struktur och egenskap."