Forskare som arbetar vid avdelningen för funktionella nanomaterial vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin designade och syntetiserade en funktionell ternär Pt/Re/SnO ₂ /C-katalysator som anodmaterial i en direkt etanolbränslecell. Det var möjligt genom att syntetisera platina, rhenium- och tennoxidnanopartiklar med sfärisk form och säkerställer fysisk kontakt mellan dem. Detta fynd kommer att leda till produktion av mer effektiva, grönare och billigare bränslecellskatalysatorer.

En av de största utmaningarna som modern vetenskap står inför idag är utvecklingen av nya, effektiv och miljövänlig teknik för att omvandla kemisk energi till elektricitet. Etanolbränsleceller håller på att bli en sådan alternativ energikälla. Etanol verkar vara det ideala bränslet för framtiden, eftersom, jämfört med metanol eller väte, det har betydligt lägre toxicitet, utgör inga problem eller hot vid lagring och transport, och kan även erhållas från biomassa. Dock, de katalysatorer som används i direkta etanolbränsleceller (DEFC) är inte tillräckligt effektiva och producerar huvudsakligen biprodukter istället för den förväntade etanolslutprodukten, som koldioxid. Dessa ämnen adsorberas kraftigt på ytan av platina, som är den mest använda katalysatorn. Som ett resultat, de blockerar de katalytiskt aktiva platserna och förhindrar en ytterligare reaktion, vilket orsakar så kallad katalysatorförgiftning och sänker anordningens totala effektivitet. Därför, den viktigaste utmaningen är att utveckla lämplig typ av katalysatorer.

Platina- och platinabaserade katalysatorer används i stor utsträckning i DEFC. Etanoladsorption sker på platinaytan, som utlöser dess oxidationsreaktion (Etanol Oxidation Reaction—EOR). Förgiftningsproblem kan lösas genom att lägga till andra komponenter till platina, såsom metalliska rodium- och tennoxider, som förbättrar effektiviteten hos EOR eftersom de spelar en unik och individuell roll i etanoloxidationsvägen. Rodiums funktion är att dela upp kol-kolbindningen i etanolmolekylen, medan tenndioxid ger hydroxylgrupper för att oxidera mellanprodukter och hjälper till att frigöra den inaktiva ytan av platina. Förutom rodium och tenn, element som Ru, Ir, Cu, Fe, Co, Ni och många andra används också. En ternär nanokatalysator som innehåller platina och rodium nanolegeringar avsatta på tennoxid, som för närvarande anses vara en av de mest effektiva och selektiva konfigurationerna i etanoloxidationsreaktionen, har också studerats mycket. Det föreslås också att fysisk kontakt mellan nanopartiklar spelar en avgörande roll.

Forskare från avdelningen för funktionella nanomaterial vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin, ledd av prof. Eng. Magdalena Parlinska-Wojtan, åtog sig uppgiften att designa och syntetisera ett nytt material, som skulle kunna spela rollen som en anodkatalysator. För det här syftet, de bestämde sig för att analysera effekten av rhenium, används som en av de tre katalysatorkomponenterna, om att förbättra effektiviteten hos EOR. Dessutom, forskarna antog att genom att använda intermolekylära interaktioner och elektrokinetiska potentialmätningar, det skulle vara möjligt att montera den separat syntetiserade Pt, Re och SnO ₂ nanopartiklar i dubbel- och trippelkombinationer för att säkerställa deras fysiska kontakt. Denna montering är möjlig på grund av de motsatta värdena på den elektrokinetiska potentialen för varje typ av nanopartiklar. När du utför stabilitetsstudier, forskarna fokuserade också på katalysatorns hållbarhet eftersom nedbrytningen av nanokatalysatorkomponenter är en allvarlig faktor som begränsar stabiliteten och kommersialiseringen av katalysatorer.

"I det första skedet av vårt arbete, vi optimerade processerna för att erhålla individuella nanopartiklar:platina, rhenium och tennoxid, som var avsedda att vara komponenterna i en anodkatalysator, " säger Dr Eng. Elzbieta Drzymala från IFJ PAN, den ledande författaren till den vetenskapliga publikationen, som beskriver detaljerna i de genomförda studierna. "Sedan, använda intermolekylära interaktioner, vi sätter ihop individuellt syntetiserade nanopartiklar för att säkerställa fysisk kontakt mellan dem. På det här sättet, vi fick binära och ternära nanopartikelkombinationer, som sedan avsattes på kolsubstrat med jämn fördelning för att ge etanolmolekyler bästa tillgång till aktiva ytor. Nästa steg var att studera de elektrokemiska egenskaperna hos utvalda binära och ternära kombinationer givet deras potentiella användning som anodmaterial i etanolbränsleceller. Till sist, vi jämförde resultaten av vårt arbete med en kommersiell platinakatalysator."

De erhållna resultaten visade sig vara mycket viktiga och uppmuntrade ytterligare forskning om denna typ av material. Katalysatorn utvecklad av IFJ PAN-gruppen gjord av Pt, Re och SnO ₂ nanopartiklar kan framgångsrikt användas som en anodkatalysator i DEFC. Analyser utförda med transmissionselektronmikroskopi (TEM) i kombination med EDS-spektroskopi bekräftade den fysiska kontakten mellan nanopartiklarna som bildar den ternära Pt/Re/SnO ₂ /C-katalysator (se figur). Det har experimentellt bevisats med voltammetriska tekniker att denna ternära katalysator uppvisar mer än tio gånger högre aktivitet i etanoloxidationsreaktionen jämfört med en kommersiell platinakatalysator. Förutom, det har visats att Pt/Re/SnO ₂ /C-katalysator har den bästa stabiliteten - efter testning, det bevarade nästan 96 % av den elektrokemiskt aktiva ytan (jämfört med 12 % för den kommersiella katalysatorn). Det är också viktigt att den ternära katalysatorn visar det lägsta värdet för startpotential - värdet på den initiala oxidationspotentialen är nästan 0,3 V lägre jämfört med en kommersiell platinakatalysator. Således, användningen av rhenium som den tredje komponenten och att koppla nanopartiklar på ett sådant sätt att de förblir i fysisk kontakt genererade den önskade effekten av att förbättra effektiviteten hos EOR.

"Vår fortsatta forskning kommer att fortsätta att fokusera på bränslecellskatalysatorer, " förklarar Dr. Eng. Drzymala. "Men, gå ett steg längre, vi skulle vilja lösa de ekonomiska frågorna och utveckla ett katalytiskt system med bättre eller åtminstone jämförbara egenskaper men utan tillsats av platina. Jag tror att användningen av platinafria nanopartiklar dekorerade med små 2-nanometer SnO ₂ nanopartiklar som komponenter i en sådan katalysator kommer att föra oss närmare att skapa ett fullt fungerande material för bränslecellsanoden. Jag hoppas att katalysatorn utan platina snart kommer att syntetiseras vid avdelningen för funktionella nanomaterial vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin."