Filmer av platina endast två atomer tjocka uppburna av grafen kan möjliggöra bränslecellskatalysatorer med oöverträffad katalytisk aktivitet och livslängd, enligt en studie publicerad nyligen av forskare vid Georgia Institute of Technology.

Platina är en av de mest använda katalysatorerna för bränsleceller på grund av hur effektivt det möjliggör oxidationsreduktionsreaktionen i centrum för tekniken. Men dess höga kostnad har sporrat forskningsansträngningar att hitta sätt att använda mindre mängder av det samtidigt som samma katalytiska aktivitet bibehålls.

"Det kommer alltid att finnas en initial kostnad för att producera en bränslecell med platinakatalysatorer, och det är viktigt att hålla den kostnaden så låg som möjligt, sa Faisal Alamgir, en docent vid Georgia Techs School of Materials Science and Engineering. "Men den verkliga kostnaden för ett bränslecellsystem beräknas av hur länge det systemet varar, och det här är en fråga om hållbarhet.

"Nyligen har det skett en push för att använda katalytiska system utan platina, men problemet är att det hittills inte har föreslagits ett system som samtidigt matchar den katalytiska aktiviteten och hållbarheten hos platina, " sa Alamgir.

Georgia Tech-forskarna försökte en annan strategi. I studien, som publicerades den 18 september i tidskriften Avancerade funktionella material och stöds av National Science Foundation, de beskriver att skapa flera system som använde atomärt tunna filmer av platina som stöddes av ett lager av grafen – vilket effektivt maximerar den totala ytan av platina som är tillgänglig för katalytiska reaktioner och använder en mycket mindre mängd av ädelmetallen.

De flesta platinabaserade katalytiska system använder nanopartiklar av metallen kemiskt bundna till en stödyta, där ytatomer hos partiklarna gör det mesta av det katalytiska arbetet, och den katalytiska potentialen hos atomerna under ytan utnyttjas aldrig lika fullt som ytatomerna, Om överhuvudtaget.

Dessutom, forskarna visade att de nya platinafilmerna som är minst två atomer tjocka överträffade nanopartikelplatina i dissociationsenergin, vilket är ett mått på energikostnaden för att avlägsna en ytplatinaatom. Den mätningen tyder på att dessa filmer skulle kunna skapa potentiellt mer långvariga katalytiska system.

För att förbereda de atomärt tunna filmerna, forskarna använde en process som kallas elektrokemisk atomlagerdeposition för att odla platinamonoskikt på ett lager av grafen, skapa prover som hade en, två eller tre atomlager av atomer. Forskarna testade sedan proverna för dissociationsenergi och jämförde resultaten med energin hos en enda platinaatom på grafen samt energin från en vanlig konfiguration av platinananopartiklar som används i katalysatorer.

"Den grundläggande frågan i hjärtat av detta arbete var om det var möjligt att en kombination av metallisk och kovalent bindning kan göra platinaatomerna i en platina-grafenkombination mer stabila än deras motsvarigheter i bulkplatina som vanligtvis används i katalysatorer som stöds av metallisk bindning, " sa Seung Soon Jang, en docent vid Institutionen för materialvetenskap och teknik.

Forskarna fann att bindningen mellan närliggande platinaatomer i filmen i huvudsak kombinerar krafter med bindningen mellan filmen och grafenskiktet för att ge förstärkning över hela systemet. Det gällde särskilt i platinafilmen som var två atomer tjock.

"Typiskt är metalliska filmer under en viss tjocklek inte stabila eftersom bindningarna mellan dem inte är riktade, och de tenderar att rulla över varandra och konglomerera för att bilda en partikel, " Sa Alamgir. "Men det är inte sant med grafen, som är stabil i en tvådimensionell form, till och med en atom tjock, eftersom det har mycket starka kovalenta riktningsbindningar mellan sina närliggande atomer. Så det här nya katalytiska systemet kan utnyttja grafenets riktningsbindning för att stödja en atomärt tunn film av platina."

Future research will involve further testing of how the films behave in a catalytic environment. The researchers found in earlier research on graphene-platinum films that the material behaves similarly in catalytic reactions regardless of which side—graphene or platinum—is the exposed active surface.

"In this configuration, the graphene is not acting as a separate entity from the platinum, " Alamgir said. "They're working together as one. So we believe that if you're exposing the graphene side, you get the same catalytic activity and you could further protect the platinum, potentially further enhancing durability."