En ny kombination av nanopartiklar och grafen resulterar i ett mer hållbart katalytiskt material för bränsleceller, enligt arbete publicerat idag online på Journal of the American Chemical Society. Det katalytiska materialet är inte bara hårdare utan också mer kemiskt aktivt. Forskarna är övertygade om att resultaten kommer att bidra till att förbättra bränslecellsdesign.

"Bränsleceller är ett viktigt område inom energiteknik, men kostnad och hållbarhet är stora utmaningar, " sa kemisten Jun Liu. "Den unika strukturen hos detta material ger välbehövlig stabilitet, god elektrisk ledningsförmåga och andra önskade egenskaper."

Liu och hans kollegor vid Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, Princeton University i Princeton, N.J., och Washington State University i Pullman, Tvätta., kombinerad grafen, en enatoms tjock bikaka av kol med praktiska elektriska och strukturella egenskaper, med metalloxidnanopartiklar för att stabilisera en bränslecellskatalysator och göra den bättre tillgänglig för att göra sitt jobb.

"Detta material har stor potential att göra bränsleceller billigare och hålla längre, " sa den katalytiska kemisten Yong Wang, som har ett gemensamt möte med PNNL och WSU. "Arbetet kan också ge lärdomar för att förbättra prestandan hos andra kolbaserade katalysatorer för ett brett spektrum av industriella tillämpningar."

Muskelmetalloxid

Bränsleceller fungerar genom att kemiskt bryta ner syre och vätgas för att skapa en elektrisk ström, producerar vatten och värme i processen. Bränslecellens centrum är den kemiska katalysatorn - vanligtvis en metall som platina - som sitter på ett stöd som ofta är gjort av kol. Ett bra stödmaterial sprider platina jämnt över dess yta för att maximera ytan med vilken den kan angripa gasmolekyler. Det är också elektriskt ledande.

Bränslecellsutvecklare använder oftast svart kol - tänk blyerts - men platinaatomer tenderar att klumpa sig på sådant kol. Dessutom, vatten kan bryta ner kolet bort. Ett annat stödalternativ är metalloxider - tänk rost - men vad metalloxider kompenserar för i stabilitet och katalysatorspridning, de förlorar i ledningsförmåga och enkel syntes. Andra forskare har börjat utforska metalloxider i samband med kolmaterial för att få det bästa av två världar.

Som ett kolstöd, Liu och hans kollegor tyckte grafen var spännande. Bikakegittret av grafen är poröst, elektriskt ledande och ger mycket utrymme för platina atomer att fungera. Först, teamet kristalliserade nanopartiklar av metalloxiden känd som indiumtennoxid - eller ITO - direkt på specialbehandlad grafen. Sedan lade de till platinananopartiklar till grafen-ITO och testade materialen.

Platinavikt

Teamet tittade på materialet under högupplösta mikroskop på EMSL, DOE:s Environmental Molecular Sciences Laboratory på PNNL campus. Bilderna visade att utan ITO, platinaatomer klumpar sig på grafenytan. Men med ITO, platinan spreds ut fint. Dessa bilder visade också katalytisk platina inkilad mellan nanopartiklarna och grafenytan, med nanopartiklarna delvis sittande på platina som en pappersvikt.

För att se hur stabilt detta arrangemang var, laget utförde teoretiska beräkningar av molekylära interaktioner mellan grafen, platina och ITO. Den här siffran på EMSL:s superdator Chinook visade att trekanten var mer stabil än metalloxiden ensam på grafen eller katalysatorn ensam på grafen.

Men stabilitet gör ingen skillnad om katalysatorn inte fungerar. I tester för hur väl materialen bryter ner syre som de skulle göra i en bränslecell, trippelhotet packade cirka 40% mer av en vägg än katalysatorn ensam på grafen eller katalysatorn ensam på andra kolbaserade bärare såsom aktivt kol.

Sista, teamet testade hur väl det nya materialet tål upprepad användning genom att åldra det på konstgjord väg. Efter åldrandet, trepartsmaterialet visade sig vara tre gånger så hållbart som den ensamma katalysatorn på grafen och dubbelt så hållbart som på vanligt aktivt kol. Korrosionstester visade att det tredubbla hotet var mer motståndskraftigt än de andra testade materialen också.

Teamet införlivar nu platina-ITO-grafenmaterialet i experimentella bränsleceller för att avgöra hur väl det fungerar under verkliga förhållanden och hur länge det varar.