En illustration av syntesförfarandet av kärn-skal nanopartiklar och efterföljande avsättning av platina. Kredit:Abruna lab
(PhysOrg.com) -- Bränsleceller kan driva framtidens bilar, men det räcker inte att bara få dem att fungera - de måste vara överkomliga. Cornell-forskare har utvecklat ett nytt sätt att syntetisera ett elektrokatalytiskt bränslecellsmaterial utan att bryta banken.
Forskningen, publiceras online 24 november i Journal of the American Chemical Society , beskriver en enkel metod för att tillverka nanopartiklar som driver de elektrokatalytiska reaktionerna inuti rumstempererade bränsleceller.
Bränsleceller omvandlar kemisk energi direkt till elektrisk energi. De består av en anod, som oxiderar bränslet (t.ex. väte), och en katod, vilket reducerar syre till vatten. Ett polymermembran separerar elektroderna. Bränslecellsdrivna bilar som tillverkas idag använder ren platina för att katalysera syrereduktionsreaktionen på katodsidan. Medan platina är den mest effektiva katalysatorn som finns tillgänglig idag för syrereduktionsreaktionen, dess verksamhet är begränsad, och det är sällsynt och dyrt.
Cornell-forskarnas nanopartiklar erbjuder ett alternativ till ren platina till en bråkdel av kostnaden. De är gjorda av en palladium- och koboltkärna och belagda med ett atomtjockt lager av platina. Palladium, men inte lika bra en katalysator, har liknande egenskaper som platina (den är i samma grupp på det periodiska systemet, den har samma kristallstruktur, och den är lika i atomstorlek), men det kostar en tredjedel mindre och är 50 gånger mer rikligt på jorden.
Forskare under ledning av Héctor D. Abruña, E.M. Chamot professor i kemi och kemisk biologi, tillverkade nanopartiklarna på ett kolsubstrat och gjorde palladium-koboltkärnan självmonterande - vilket minskade tillverkningskostnaderna. Förste författaren Deli Wang, en postdoktor i Abruñas labb, designade experimenten och syntetiserade nanopartiklarna.
Atomupplösningsbilder av palladium-kobolt nanopartikeln, före platinaavsättning. Kredit:Muller lab
David Muller, professor i tillämpad och teknisk fysik och meddirektör för Kavli Institute vid Cornell for Nanoscale Science, ledde ansträngningarna inriktade på att avbilda partiklarna ner till atomär upplösning för att visa deras kemiska sammansättning och distribution, och för att bevisa effektiviteten av de katalytiska omvandlingarna.
"Substratets kristallstruktur, nanopartiklarnas sammansättning och rumsliga fördelning spelar viktiga roller för att bestämma hur väl platina presterar, sa Huolin Xin, en doktorand i Mullers labb.
Arbetet stöddes av Energy Materials Center i Cornell, en Department of Energy-stödd Energy Frontiers Research Center. Forskare använde också utrustning vid Cornell Center for Materials Research.
