Lepszy katalizator platynowy do ogniw paliwowych

Nowy rodzaj katalizatora może doprowadzić do tego, że ogniwa paliwowe będą zużywać jedną piątą platyny, której używają obecnie. Nowy materiał, opracowany przez naukowców z University of Houston, Technical University of Berlin w Niemczech oraz Departamentu Energii SLAC National Accelerator Laboratory w Menlo Park w Kalifornii, składa się z nanocząstek z rdzeniami wykonanymi ze stopu miedzi i platyny oraz zewnętrznym skorupa, która jest w większości platynowa. Materiał jest do pięciu razy wydajniejszy niż zwykła platyna.

Błyszcząca powłoka: Gdy czteronanometrowa nanocząsteczka stopu platyny i miedzi (góra) jest wystawiona na działanie cyklicznego prądu przemiennego, atomy miedzi oddzielają się od powierzchni, tworząc otoczkę bogatą w platynę, która obrazuje jaśniej (na dole) pod skaningowym transmisyjnym mikroskopem elektronowym.

Platyna i stopy platyny są najbardziej wydajnymi katalizatorami przyspieszającymi reakcje chemiczne w wodorowych ogniwach paliwowych. Platyna jest jedynym metalem, który może wytrzymać kwaśne warunki panujące w takim ogniwie, ale jest droga, co ograniczyło szerokie zastosowanie ogniw paliwowych na dużą skalę. Co więcej, około 90 procent światowych dostaw platyny pochodzi tylko z dwóch krajów – RPA i Rosji.

Nowy materiał już spełnia cel Departamentu Energii USA na 2015 r. dotyczący katalizatorów platynowych: wytwarzanie co najmniej 0,44 ampera prądu elektrycznego na miligram platyny. Wytwarza do 0,49 ampera na miligram platyny, a naukowcy uważają, że powinno być możliwe jeszcze większe zwiększenie aktywności katalitycznej materiału. Gdybyśmy mogli uzyskać kolejny czynnik dwa [poprawa aktywności katalitycznej], uważamy, że koszt platyny w tych ogniwach paliwowych uczyniłby tę technologię bardziej praktyczną, mówi fizyk SLAC. Anders Nilsson .

To doskonała praca, która powinna umożliwić nam zużywanie mniejszej ilości platyny w ogniwach paliwowych, mówi Jean-Pol Dodelet , profesor energetyki, materiałów i telekomunikacji w Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) w Quebecu.

Na anodzie konwencjonalnego ogniwa paliwowego z membraną do wymiany protonów (PEM) katalizator dzieli wodór na jony wodorowe i elektrony, przy czym te ostatnie wypływają z ogniwa, aby wytworzyć prąd. Na katodzie cząsteczki tlenu łączą się z elektronami i jonami wodoru, tworząc wodę. Ta reakcja jest powolna, a jej przyspieszenie wymaga 10 razy więcej platyny niż ta, która jest użyta na anodzie. Jeśli próbujesz zastąpić platynę, ważniejsze jest zastąpienie platyny na katodzie, mówi Dodelet.

Peter Strasser, profesor inżynierii chemicznej na Uniwersytecie w Houston i Politechnika Berlińska , rozpoczął prace nad nowym typem katalizatora w 2005 roku, osadzając nanocząsteczki stopu miedziowo-platynowego na nośnikach węglowych. Kiedy do materiału przykładany jest cykliczny prąd przemienny, miedź oddziela się od obszaru powierzchni, nadając nanocząstkom warstwę zewnętrzną bogatą w platynę.

W ostatnich Chemia przyrody Na papierze naukowcy ujawniają mechanizm, który sprawia, że ​​ten katalizator jest bardziej aktywny niż zwykła platyna. Badając sposób rozpraszania wiązek promieniowania rentgenowskiego przez nowy katalizator, odkryli, że odległość między atomami platyny pozostawionymi na powierzchni nanocząstek jest mniejsza niż odległość w czystych nanocząstkach platyny. Dobry katalizator powinien być w stanie rozbić cząsteczki tlenu na atomy, ale nie powinien wiązać się zbyt mocno z wolnymi atomami; krótsza odległość między atomami platyny w nowym materiale czyni go skuteczniejszym katalizatorem, ponieważ jeszcze słabiej wiąże się z atomami tlenu.

Istnieją alternatywy dla stosowania platyny jako katalizatora. Dodelet i jego grupa współpracowali z General Motors w celu opracowania obiecującego katalizatora na bazie żelaza, który obecnie pracują nad komercjalizacją. Tymczasem tanie katalizatory z nanorurek węglowych i katalizatory niklowe są opracowywane dla chemii alkalicznych ogniw paliwowych.

Katalizatory bez platyny mają inne zalety niż niski koszt, mówi Wapnowanie Dai , profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Dayton w Ohio, który pracuje nad katalizatorami z nanorurek węglowych. Nanocząstki platyny tracą swoją wydajność katalityczną, agregują z czasem w większe cząstki lub gdy tlenek węgla przykleja się do ich powierzchni. Nanorurki węglowe są bardziej wytrzymałe na dłuższą metę, mówi Dai.

To interesująca praca i ważny postęp, ponieważ mechanizm można zastosować do innych katalizatorów, mówi Dai o nowym katalizatorze platynowym. Interesujące byłoby sprawdzenie długoterminowej stabilności i efektu zatrucia tlenkiem węgla [powierzchni] tego rodzaju katalizatora typu rdzeń-powłoka.

Strasser zgadza się, że nowy katalizator będzie wymagał dalszych testów. Jednak większy rozmiar cząstek rdzeń-powłoka sprawia, że ​​są one z natury bardziej stabilne niż czysta platyna, mówi. Wybór tego metalu również ma znaczenie. Jesteśmy przekonani, że alternatywne metale nieplatynowe w rdzeniu, takie jak kobalt lub nikiel, rozwiążą problem stabilności przy jednoczesnym zachowaniu przewagi aktywności struktury rdzeń-powłoka, mówi Strasser.

Nowy materiał został również przetestowany w działających ogniwach paliwowych, co może być istotną przewagą rynkową. Większość z tych innych katalizatorów została zmierzona w pomiarach elektrochemicznych, mówi. Mają potencjał do wykorzystania w przyszłości, ale ten [nowy katalizator] jest czymś, co już dziś można umieścić w prawdziwych ogniwach paliwowych.

ukryć