Ett tvärvetenskapligt forskargrupp vid Tekniska universitetet i München (TUM) har byggt platina-nanopartiklar för katalys i bränsleceller:De nya storleksoptimerade katalysatorerna är dubbelt så kraftfulla som den bästa processen kommersiellt tillgänglig idag.

Bränsleceller kan mycket väl ersätta batterier som strömkälla för elbilar. De konsumerar väte, en gas som kan produceras, till exempel, använda överskottsel från vindkraftverk. Dock, platina som används i bränsleceller är sällsynt och extremt dyr, och detta har varit en begränsande faktor i applikationer fram till nu.

Ett forskargrupp vid Technical University of Munich (TUM) under ledning av Roland Fischer, Professor för oorganisk och organometallisk kemi, Aliaksandr Bandarenka, Physics of Energy Conversion and Storage och Alessio Gagliardi, Professor för simulering av nanosystem för energiomvandling, har nu optimerat storleken på platinapartiklarna i en sådan grad att partiklarna presterar på nivåer dubbelt så höga som de bästa processerna som finns kommersiellt tillgängliga idag.

Idealisk:Ett platina "ägg" endast en nanometer stor

I bränsleceller, väte reagerar med syre för att producera vatten, generera el i processen. Sofistikerade katalysatorer vid elektroderna krävs för att optimera denna omvandling. Platina spelar en central roll i syrereduktionsreaktionen.

Letar du efter en idealisk lösning, laget skapade en datormodell av hela systemet. Den centrala frågan:Hur liten kan ett kluster av platinaatomer vara och fortfarande ha en mycket aktiv katalytisk effekt? "Det visar sig att det finns vissa optimala storlekar för platinastaplar, "förklarar Fischer.

Partiklar som mäter cirka en nanometer och innehåller cirka 40 platinaatomer är idealiska. "Platinumkatalysatorer av denna storleksordning har en liten volym men ett stort antal mycket aktiva fläckar, resulterar i hög massaktivitet, säger Bandarenka.

Tvärvetenskapligt samarbete

Tvärvetenskapligt samarbete vid Catalysis Research Center (CRC) var en viktig faktor i forskargruppens resultat. Kombinera teoretiska möjligheter inom modellering, gemensamma diskussioner och fysisk och kemisk kunskap från experiment resulterade i slutändan i en modell som visar hur katalysatorer kan utformas med den ideala formen, storlek och storleksfördelning av de inblandade komponenterna.

Dessutom, CRC har också den expertis som behövs för att skapa och experimentellt testa de beräknade platinananokatalysatorerna. "Detta kräver mycket när det gäller konsten att oorganisk syntes, "säger Kathrin Kratzl, tillsammans med Batyr Garlyyev och Marlon Rück, en av de tre huvudförfattarna till studien.

Dubbelt så effektivt som den bästa konventionella katalysatorn

Experimentet bekräftade exakt de teoretiska förutsägelserna. "Vår katalysator är dubbelt så effektiv som den bästa konventionella katalysatorn på marknaden, "säger Garlyjev, tillägger att detta fortfarande inte är tillräckligt för kommersiella tillämpningar, eftersom den nuvarande minskningen av mängden platina med 50 procent måste öka till 80 procent.

Förutom sfäriska nanopartiklar, forskarna hoppas på ännu högre katalytisk aktivitet från betydligt mer komplexa former. Och datormodellerna som etablerats i partnerskapet är idealiska för denna typ av modellering. "Ändå, mer komplexa former kräver mer komplexa syntesmetoder, "säger Bandarenka. Detta kommer att göra beräknings- och experimentstudier allt viktigare i framtiden.