211service.com
En bedre platinkatalysator til brændselsceller
En ny type katalysator kan føre til brændselsceller, der bruger en femtedel af det platin, de bruger nu. Det nye materiale, udviklet af forskere ved University of Houston, Technical University of Berlin i Tyskland, og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory i Menlo Park, CA, består af nanopartikler med kerner lavet af en kobber-platin-legering og en ydre skal, der for det meste er platin. Materialet er op til fem gange så effektivt som almindeligt platin.
Skinnende skal: Når en nanopartikel af platin-kobberlegering på fire nanometer (øverst) udsættes for en cyklisk vekselstrøm, adskilles kobberatomer fra overfladen, hvilket skaber en skal rig på platin, som afbilleder mere lyst (nederst) under et scanningstransmissionselektronmikroskop.
Platin og platinlegeringer er de mest effektive katalysatorer til at fremskynde kemiske reaktioner i brintbrændselsceller. Platin er det eneste metal, der kan modstå de sure forhold inde i en sådan celle, men det er dyrt, og det har begrænset de brede, storstilede anvendelser af brændselsceller. Desuden kommer omkring 90 procent af verdens platinforsyning fra kun to lande - Sydafrika og Rusland.
Det nye materiale opfylder allerede det amerikanske energiministeriums 2015-mål for platinkatalysatorer: at producere mindst 0,44 ampere elektrisk strøm pr. milligram platin. Det producerer op til 0,49 ampere per milligram platin, og forskerne mener, at det burde være muligt at øge materialets katalytiske aktivitet endnu mere. Hvis vi kunne få en anden faktor på to [forbedring i katalytisk aktivitet], tror vi, at prisen på platin i disse brændselsceller ville gøre teknologien mere praktisk, siger SLAC-fysiker Anders Nilsson .
Dette er fremragende arbejde, der burde gøre os i stand til at bruge mindre platin i brændselsceller, siger Jean-Pol Dodelet , professor i energi, materialer og telekommunikation ved Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) i Quebec.
Ved anoden af en konventionel proton exchange membrane (PEM) brændselscelle spalter katalysatoren brint i hydrogenioner og elektroner, hvor sidstnævnte strømmer ud af cellen for at skabe strøm. Ved katoden kombineres oxygenmolekyler med elektroner og brintioner for at danne vand. Denne reaktion er træg, og at fremskynde den kræver 10 gange så meget platin, som der bruges ved anoden. Hvis du forsøger at erstatte platin, er det vigtigere at erstatte platin ved katoden, siger Dodelet.
Peter Strasser, en kemiingeniørprofessor ved både University of Houston og Tekniske Universitet i Berlin , begyndte at arbejde på en ny type katalysator i 2005, der afsatte nanopartikler af en kobber-platin-legering på kulstofbærere. Når en cyklisk vekselstrøm påføres materialet, adskilles kobberet fra overfladeområdet, hvilket giver nanopartiklerne et platinrigt ydre lag.
I en nylig Naturkemi papir, afslører forskerne den mekanisme, der gør denne katalysator mere aktiv end almindelig platin. Ved at studere, hvordan røntgenstråler spredes af den nye katalysator, opdagede de, at afstanden mellem de platinatomer, der er tilbage på overfladen af nanopartiklerne, er mindre end afstanden i rene platinnanopartikler. En god katalysator bør være i stand til at opdele oxygenmolekyler i atomer, men bør ikke binde for stærkt til de frie atomer; den kortere afstand mellem platinatomer i det nye materiale gør det til en mere effektiv katalysator, fordi det binder endnu svagere til oxygenatomerne.
Der er alternativer til at bruge platin som katalysator. Dodelet og hans gruppe har arbejdet sammen med General Motors for at udvikle en lovende jernbaseret katalysator, som de nu arbejder på at kommercialisere. I mellemtiden er billige kulstof-nanorør-katalysatorer og nikkel-katalysatorer i gang med alkaliske brændselscelle-kemi.
Platinfri katalysatorer har andre fordele end deres lave omkostninger, siger Kalkning Dai , en materialeingeniørprofessor ved University of Dayton i Ohio, som arbejder på kulstof-nanorørskatalysatorer. Platinnanopartikler har en tendens til at miste deres katalytiske effektivitet ved at aggregere til større partikler over tid, eller når kulilte klæber til deres overflade. Carbon nanorør er mere robuste på lang sigt, siger Dai.
Dette er interessant arbejde og et vigtigt fremskridt, fordi mekanismen kunne anvendes på andre katalysatorer, siger Dai om den nye platinkatalysator. Det ville være interessant at tjekke den langsigtede stabilitet og kulilte [overflade] forgiftningseffekt for denne slags kerne-skal-katalysator.
Strasser er enig i, at den nye katalysator skal afprøves yderligere. Men den større størrelse af kerne-skal-partiklerne gør dem i sig selv mere stabile end ren platin, siger han. Valget af dette metal gør også en forskel. Vi er overbeviste om, at alternative ikke-platinmetaller i kernen, som kobolt eller nikkel, vil løse stabilitetsproblemet og samtidig bevare aktivitetsfordelen ved kerne-skalstrukturen, siger Strasser.
Det nye materiale er også blevet testet i fungerende brændselsceller, hvilket kan være en afgørende markedsfordel. De fleste af disse andre katalysatorer blev målt i elektrokemiske målinger, siger han. De har potentiale til brug i fremtiden, men denne [nye katalysator] er noget, vi har, som du kan sætte i rigtige brændselsceller i dag.