Det finns ett akut behov av att ta itu med klimatförändringarna, vilket gör utvecklingen av hållbara energialternativ viktigare än någonsin. Medan proton-utbytesmembranbränsleceller (PEMFC) har visat sig lovande för energiproduktion, särskilt inom transportindustrin, finns det ett långvarigt problem med deras hållbarhet och kostnad.
Ett västerländskt forskarlag har tagit itu med problemet med ett nytt koboltmodifierat nanomaterial som gör PEMFC mer robusta, lättillgängliga och miljömässigt hållbara, vilket visar bara två procents förlust i effektivitet efter 20 000 cykler i ett hållbarhetstest.
Det nya nanomaterialet används för att förstärka syrereduktionsreaktionen (ORR), den process som bildar vatten i bränslecellen som tillåter en högre ström för effektivare kraftgenerering. Det koboltmodifierade nanomaterialet minskar också beroendet av platina för att konstruera dessa bränsleceller. En dyrbar ädelmetall, som bryts främst i Sydafrika, produceras bara några hundra ton platina per år.
Tsun-Kong (T.K.) Sham, Xueliang (Andy) Sun, Ali Feizabadi och deras medarbetare vid Westerns avdelning för kemi och västerländsk teknik introducerade den nya koboltmodifierade ORR-katalysatorn i The Journal of Physical Chemistry C.
"Speedspetsande tillvägagångssätt, inklusive legering av platina med andra övergångsmetaller och framställning av kärna-skalstrukturer, erbjuder spännande möjligheter genom att minska efterfrågan på platina i bränsleceller samtidigt som exceptionell katalytisk aktivitet bibehålls", säger Sham, Canada Research Chair in Materials and Synchrotron Radiation och en senior författare på studien. "Men trots betydande framsteg förblir akilleshälen hållbarheten hos dessa katalysatorer på grund av i sig instabila strukturer."
Sham och Sun-teamet använde en metod som kallas "koboltdopning" för att modifiera ytan och ytområdena av platina-palladium kärna-skal nanopartiklar.
"Dopning är praxis att introducera mycket små mängder av speciella främmande atomer i den kristallina strukturen av en nanopartikel för att modifiera dess elektroniska egenskaper. Dessa främmande atomer kallas dopämnen", säger Feizabadi, en tidigare forskningsanalytiker i Sham-forskningsgruppen och huvudförfattare till studien.
De nya koboltdopade nanopartiklarna uppvisar exceptionell stabilitet och tål bara två procents förlust i initial aktivitet efter en "utmattande" 20 000 cykler av ett accelererat hållbarhetstest, som används för att få djupare insikter i katalysatorers nedbrytningsmekanismer i kontrollerade laboratoriemiljöer.
"Detta understryker kobolts anmärkningsvärda roll för att förbättra katalytisk aktivitet och förstärka katalysatorns strukturella integritet", säger Sham, en global ledare inom utveckling av nya röntgenspektroskopiska tekniker.
För en bättre förståelse av katalysatorns beteende och sammansättning studerade forskargruppen de nya nanopartiklarna med hjälp av Hard X-ray Micro-Analysis Beamline vid Canadian Light Source, Kanadas nationella synkrotronljuskälla vid University of Saskatchewan.
Nanopartiklarna analyserades också vid Advanced Photon Source i Lemont, Illinois och Taiwan Photon Source för studien.
"Dessa koboltdopade nanopartiklar lovar oerhört mycket som högeffektiva och varaktiga ORR-katalysatorer, som representerar ett betydande framsteg inom bränslecellsteknologin", säger Sun, Western Engineering-professor och ledande expert inom nanomaterial och ren energi.
"Detta omfattande tillvägagångssätt kastar nytt ljus över katalysatorbeteende och struktur, vilket tar oss ett steg närmare hållbara energilösningar."
Mer information: Ali Feizabadi et al, Cobalt-Doped Pd@Pt Core–Shell Nanoparticles:A Correlative Study of Electronic Structure and Catalytic Activity in ORR, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c04274
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry C
Tillhandahålls av University of Western Ontario
