Framsteg inom bränslecellsteknologi har dämpats av otillräckliga metaller som studerats som katalysatorer. Nackdelen med platina, annat än kostnad, är att den absorberar kolmonoxid i reaktioner som involverar bränsleceller som drivs av organiska material som myrsyra. En nyare testad metall, palladium, går sönder med tiden.

Nu har kemister vid Brown University skapat en nanopartikel med tre huvuden som de säger att de överträffar och överträffar alla andra vid anodänden i myrsyra-bränslecellreaktioner. I ett papper publicerat i Journal of the American Chemical Society , forskarna rapporterar en 4-nanometer järn-platina-guld nanopartikel (FePtAu), med en tetragonal kristallstruktur, genererar högre ström per massenhet än någon annan testad nanopartikelkatalysator. Dessutom, den trimetalliska nanopartikeln hos Brown fungerar nästan lika bra efter 13 timmar som i början. Däremot, en annan nanopartikelmontage testad under identiska förhållanden förlorade nästan 90 procent av sin prestanda på bara en fjärdedel av tiden.

"Vi har utvecklat en myrsyra-bränslecellskatalysator som är den bästa som har skapats och testats hittills, "sa Shouheng Sun, kemiprofessor vid Brown och motsvarande författare på tidningen. "Den har bra hållbarhet och bra aktivitet."

Guld spelar nyckelroller i reaktionen. Först, den fungerar som en slags samhällsarrangör, leder järn- och platinaatomerna till snygga, enhetliga lager i nanopartikeln. Guldatomerna lämnar sedan scenen, bindande till den yttre ytan av nanopartikelaggregatet. Guld är effektivt för att beställa järn- och platinaatomer eftersom guldatomerna skapar extra utrymme i nanopartikelsfären från början. När guldatomerna diffunderar från rymden vid uppvärmning, de skapar mer utrymme för järn- och platinaatomerna att montera sig själva. Guld skapar kristallisering som kemister vill ha i nanopartiklarna vid lägre temperatur.

Guld tar också bort kolmonoxid (CO) från reaktionen genom att katalysera dess oxidation. Kolmonoxid, annat än att vara farlig att andas, binder väl till järn- och platinaatomer, gummar upp reaktionen. Genom att i huvudsak skrubba den från reaktionen, guld förbättrar prestanda för järn-platina-katalysatorn. Teamet bestämde sig för att prova guld efter att ha läst i litteraturen att guldnanopartiklar var effektiva vid oxidering av kolmonoxid - så effektivt, faktiskt, att guld nanopartiklar hade införlivats i hjälmarna till japanska brandmän. Verkligen, det bruna teamets trippelhuvud metalliska nanopartiklar fungerade lika bra för att avlägsna CO i oxidationen av myrsyra, även om det är oklart specifikt varför.

Författarna belyser också vikten av att skapa en ordnad kristallstruktur för nanopartikelkatalysatorn. Guld hjälper forskare att få en kristallstruktur som kallas "ansiktscentrerad-tetragonal, "en fyrsidig form där järn- och platinaatomer väsentligen tvingas att inta specifika positioner i strukturen, skapa mer ordning. Genom att införa atomordning, järn- och platinaskikten binder tätare i strukturen, vilket gör monteringen mer stabil och hållbar, avgörande för bättre prestanda och långvariga katalysatorer.

I experiment, FePtAu-katalysatorn nådde 2809,9 mA/mg Pt (massaktivitet, eller ström genererad per milligram platina), "som är den högsta bland alla NP (nanopartikel) katalysatorer som någonsin rapporterats, "skriver de bruna forskarna. Efter 13 timmar, FePtAu -nanopartikeln har en massaktivitet på 2600mA/mg Pt, eller 93 procent av det ursprungliga prestandavärdet. I jämförelse, forskarna skriver, den väl mottagna nanopartikeln av platina-vismut har en massaktivitet på cirka 1720 mA/mg Pt under identiska experiment, och är fyra gånger mindre aktiv när den mäts för hållbarhet.

Forskarna noterar att andra metaller kan ersätta guld i nanopartikelkatalysatorn för att förbättra katalysatorns prestanda och hållbarhet.

"Detta meddelande presenterar en ny strategi för strukturkontroll för att justera och optimera nanopartikelkatalys för bränsleoxidationer, "skriver forskarna.

Sen Zhang, en tredjeårs doktorand i Suns lab, hjälpte till med design och syntes av nanopartiklar. Shaojun Guo, en postdoktor i Suns lab utförde elektrokemiska oxidationsexperiment. Huiyuan Zhu, en andraårs doktorand i Suns lab, syntetiserade FePt -nanopartiklarna och körde kontrollexperiment. Den andra bidragande författaren är Dong Su från Center for Functional Nanomaterials på Brookhaven National Laboratory, som analyserade strukturen för nanopartikelkatalysatorn med hjälp av avancerade elektronmikroskopi -anläggningar där.