Bränsleceller, på grund av sin höga effektivitet och miljövänliga egenskaper i processen för elproduktion, blir allt populärare för produktion av bränslecellsfordon (FCV), såsom bilar, gaffeltruckar, bussar och flygplan. Den kostsamma karaktären av att producera bränslecellskatalysatorer utesluter dock massproduktion och storskalig tillämpning av FCV.

Bränslecellskatalysatorer är vanligtvis gjorda av platina (Pt) eller Pt-legeringar med övergångsmetaller tunt belagda på de porösa kolbärarna. Platina är ett idealiskt katalytiskt material eftersom det tål de sura förhållandena och ökar hastigheten för kemiska reaktioner effektivt. Det är dock dyrt och har otillräckliga resursreserver. Därför är det absolut nödvändigt att utveckla och screena nya katalysatorer med låg Pt-mängd och hög katalytisk aktivitet för kommersialisering av bränsleceller.

I en vetenskap I en artikel publicerad den 22 oktober rapporterade forskare vid University of Science and Technology of China (USTC) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS) en svavelförankringsmetod för högtemperatur, framgångsrikt syntetiserad små Pt-intermetalliska nanopartiklar (dvs. -NP) katalysatorer med ultralåg Pt-belastning och hög massaktivitet. De etablerade också i-NP-bibliotek, inklusive 46 typer av Pt-nanopartiklar (NP) för att screena billiga och hållbara elektrodmaterial samt utforska struktur-aktivitetsrelationer hos i-NP:er systematiskt.

I-NP har väckt stor uppmärksamhet på grund av deras unika atomiskt ordnade egenskaper och utmärkta katalytiska prestanda i många kemiska reaktioner. Emellertid är oundviklig metallsintring vid hög temperatur oönskad under syntesen av i-NPs, eftersom det kommer att leda till större kristalliter. Sålunda resulterar det i en minskad specifik yta och lägre katalytiska aktiviteter hos materialen, och minskar så småningom utnyttjandegraden av Pt, vilket avsevärt ökar kostnaderna för bränsleceller.

Forskargruppen, ledd av Liang Haiwei, använde genialiskt stark Pt-svavel kemisk interaktion. De framställde Pt-intermetaller på svaveldopade kol (S-C)-underlag för att undertrycka NP-sintring vid höga temperaturer, och de kunde erhålla atomiskt ordnade i-NP:er med en genomsnittlig storlek på <5 nm. S-C-stöd visade utmärkt anti-sintringsförmåga och forskare erhöll Pt NPs med medeldiametern fortfarande <5 nm efter glödgning vid höga temperaturer upp till 1000 C. Men allvarlig Pt-sintring observerades efter samma glödgningsprocess på kommersiella kimröksbärare.

För att dra fördel av anti-sintringsegenskapen syntetiserade forskare 46 typer av små Pt-baserade i-NPs på S-C-stöd och etablerade i-NP-bibliotek. Spektrala karakteriseringar mättes och resultaten verifierade de starka kemiska interaktionerna mellan Pt-S-bindningar. Dessutom visade röntgendiffraktionsresultaten (XRD) en hög ordningsgrad och liten storlek av i-NP-katalysatorer i bibliotek, i överensstämmelse med den statistiska analysen av högvinklad ringformig mörkfältsskanningselektronmikroskopi (HAADF-STEM) observationer.

"Baserat på i-NP-biblioteken kan vi systematiskt studera sambandet mellan struktur och prestanda hos katalysatorer," sa Liang, "och tillräckliga prover hjälpte oss att sålla bort effektiva katalysatorer som förväntades till stor del minska kostnaderna för bränsleceller." Forskare screenade i-NP:er och använde dem för protonutbytesmembranbränsleceller (PEMFC). Dessa katalysatorer uppvisade utmärkt elektrokatalytisk prestanda för syrereduktionsreaktion (ORR). Speciellt i H₂ -air PEMFC, även om Pt-belastningen av i-NPs var 11,5 gånger lägre än den för Pt/C-katoden, visade i-NP-katalysatorernas katoder liknande förmåga som Pt/C-katoden.

Detta arbete ger ett universellt sätt för syntes av Pt-legeringskatalysatorer som används i vätebränsleceller. Denna metod väcker förhoppningar om att minska mängden Pt som används och därigenom minska kostnaderna för bränsleceller. "Genom att konstruera de porösa strukturerna och ytfunktionerna hos kolbärare kan effektiviteten hos bränsleceller förbättras ytterligare, vilket påskyndar deras överföring från laboratoriet till allmänheten", säger Liang.