En RUDN-kemist har syntetiserat en elektrokatalysator baserad på guldnanopartiklar med organiska ligander som kan utlösa både väteproduktionsreaktioner och syrereduktionsreaktioner i bränsleceller. Utbytet av produkter med den nya katalysatorn var dubbelt så högt som när man använder en traditionell platinabaserad katalysator. Artikeln publicerades i Journal of Materials Chemistry A .

Katalysatorer baserade på metallnanopartiklar, till exempel, guld eller platina, behövs för reaktioner i bränsleceller och vid industriell produktion av väte. Om organiska molekyler, ligander, är fästa vid nanopartiklar, aktiviteten hos katalysatorn kan ökas. Dock, det har hittills funnits få tidningar som undersöker kapaciteten hos sådana katalysatorer.

Rafael Luque, en RUDN-kemist, syntetiserade en katalysator baserad på guldnanopartiklar stabiliserade med citrat, ett salt av citronsyra. För att erhålla guldnanopartiklar i komplex med andra organiska ämnen, ett utbyte av ligander utfördes baserat på en koncentrationsgradient. För detta, nanopartiklar inkuberades i en lösning av en ny ligand, och centrifugerades sedan för att fälla ut bildade nanopartiklar med fästa ligander.

Under experimentet med syrereduktionsreaktioner, kemisterna fann en signifikant effekt av typen av ligand och dess interaktion med guldytan på absorptionen av O ₂ molekyler. Guldnanopartiklar med citrat visade sig vara bäst i dessa reaktioner. Den begränsande strömtätheten för denna typ av katalysator - 5,58 milliampere per kvadratcentimeter - var två gånger högre än för nanopartiklar med andra ligander. Det betyder att med samma energiförbrukning, denna katalysator kommer att producera mer syre.

Vid väteproduktionsreaktioner, den bästa katalytiska aktiviteten, såväl som i syrereduktionsreaktioner, demonstrerades av citratnanopartiklar. Dessutom, deras effektivitet var bara hälften av effektiviteten hos en platinakatalysator, vilket avsevärt överstiger guldanalogen i kostnad.

Studien av strukturerna visade att guldnanopartiklar med citrat förlorade några av sina ligander, medan nanopartiklar med cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB) och merkaptoundekansyra (MUA) förblev nästan oförändrade. Detta kan bero på den olika styrkan hos bindningarna mellan guld och organiska ligander. För att testa stabiliteten, vilket är en av de viktigaste egenskaperna hos katalysatorerna, alla prover testades under 12 timmar under en spänning som avsevärt översteg optimum. Alla nanopartiklar behöll sin struktur efter testning; dessutom, guld nanopartiklar med citrat förbättrade sina elektrokatalytiska egenskaper. Detta kan indikera att nya typer av katalysatorer kommer att fungera effektivt under kontinuerlig drift.

På grund av stabiliteten hos de nya katalysatorerna, dessa har en intressant potential att bli sysselsatt inom industrin i framtiden. Den ligandutbytesmetod som utvecklats av kemister kan hitta tillämpning i syntesen av katalysatorer med förutbestämda egenskaper lämpliga för förnybara vätebaserade energikällor.