Platina har länge använts som en katalysator för att möjliggöra oxidationsreduktionsreaktionen i centrum för bränslecellstekniken. Men metallens höga kostnad är en faktor som har hindrat bränsleceller från att konkurrera med billigare sätt att driva bilar och bostäder.

Nu har forskare vid Georgia Institute of Technology utvecklat ett nytt platinabaserat katalytiskt system som är mycket mer hållbart än traditionella kommersiella system och har en potentiellt längre livslängd. Det nya systemet kan, på lång sikt, minska kostnaderna för att producera bränsleceller.

I studien, som publicerades den 15 juli i ACS -tidningen Nano bokstäver , forskarna beskrev ett möjligt nytt sätt att lösa en av de viktigaste orsakerna till nedbrytning av platinakatalysatorer, sintring, en process där partiklar av platina migrerar och klumpar sig samman, reducera platinas specifika ytarea och få den katalytiska aktiviteten att sjunka.

För att minska sådan sintring, forskarna utarbetade en metod för att förankra platinapartiklarna till deras kolstödjande material med hjälp av bitar av elementet selen.

"Det finns strategier där ute för att mildra sintring, som att använda platinapartiklar som är enhetliga i storlek för att minska kemisk instabilitet bland dem, "sade Zhengming Cao, en besökande doktorand vid Georgia Tech. "Denna nya metod med användning av selen resulterar i en stark metall-stöd-interaktion mellan platina och kolstödmaterialet och därmed anmärkningsvärt förbättrad hållbarhet. Samtidigt, platinapartiklarna kan användas och hållas på ett litet för att uppnå hög katalytisk aktivitet från den ökade specifika ytarean. "

Processen börjar med att lasta nanoskala sfärer av selen på ytan av ett kommersiellt kolstöd. Selen smälter sedan under höga temperaturer så att det sprider sig och täcker kolens yta jämnt. Sedan, selen reageras med en saltprekursor till platina för att generera partiklar av platina som är mindre än två nanometer i diameter och jämnt fördelade över kolytan.

Den kovalenta interaktionen mellan selen och platina ger en stark länk för att stabilt förankra platinapartiklarna till kolet.

"Det resulterande katalysatorsystemet var anmärkningsvärt både för dess höga aktivitet som katalysator och dess hållbarhet, "sa Younan Xia, professor och Brock Family Chair vid Wallace H. Coulter Institutionen för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University.

På grund av den ökade specifika ytarean för nanoskala platina, det nya katalytiska systemet visade initialt katalytisk aktivitet tre och en halv gånger högre än det orörda värdet av en toppmodern kommersiell platina-kol-katalysator. Sedan, forskargruppen testade det katalytiska systemet med hjälp av ett accelererat hållbarhetstest. Även efter 20, 000 cykler med elektropotentiell svepning, det nya systemet gav fortfarande en katalytisk aktivitet mer än tre gånger den för det kommersiella systemet.

Forskarna använde transmissionselektronmikroskopi i olika stadier av hållbarhetstestet för att undersöka varför katalytisk aktivitet förblev så hög. De fann att selenankarna var effektiva för att hålla de flesta platinapartiklarna på plats.

"Efter 20, 000 cykler, de flesta partiklarna förblev på kolstödet utan lossning eller aggregering, "Cao sa." Vi tror att denna typ av katalytiska system har en stor potential som ett skalbart sätt att öka hållbarheten och aktiviteten hos platinakatalysatorer och så småningom förbättra möjligheten att använda bränsleceller för ett större antal applikationer. "