211service.com
Een betere platinakatalysator voor brandstofcellen
Een nieuw type katalysator zou kunnen leiden tot brandstofcellen die een vijfde van het platina verbruiken dat ze nu gebruiken. Het nieuwe materiaal, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Houston, de Technische Universiteit van Berlijn in Duitsland, en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy in Menlo Park, CA, bestaat uit nanodeeltjes met kernen gemaakt van een koper-platinalegering en een buitenste schelp die voor het grootste deel uit platina bestaat. Het materiaal is tot vijf keer zo efficiënt als gewoon platina.
Glanzende schaal: Wanneer een nanodeeltje van een platina-koperlegering van vier nanometer (bovenkant) wordt blootgesteld aan een cyclische wisselstroom, scheiden koperatomen zich van het oppervlak, waardoor een platinarijke schaal ontstaat, die helderder (onder) afbeeldt onder een scanning-transmissie-elektronenmicroscoop.
Platina en platinalegeringen zijn de meest efficiënte katalysatoren voor het versnellen van chemische reacties in waterstofbrandstofcellen. Platina is het enige metaal dat bestand is tegen de zure omstandigheden in zo'n cel, maar het is duur, en dit heeft de brede, grootschalige toepassingen van brandstofcellen beperkt. Bovendien komt ongeveer 90 procent van 's werelds platinavoorraad uit slechts twee landen: Zuid-Afrika en Rusland.
Het nieuwe materiaal voldoet al aan de doelstelling van het Amerikaanse ministerie van Energie voor 2015 voor platinakatalysatoren: het produceren van ten minste 0,44 ampère elektrische stroom per milligram platina. Het produceert tot 0,49 ampère per milligram platina en de onderzoekers denken dat het mogelijk moet zijn om de katalytische activiteit van het materiaal nog meer te verhogen. Als we nog een factor twee zouden kunnen krijgen [verbetering van de katalytische activiteit], denken we dat de kosten van platina in deze brandstofcellen de technologie praktischer zouden maken, zegt SLAC-natuurkundige Anders Nilsson .
Dit is uitstekend werk dat ons in staat zou moeten stellen om minder platina in brandstofcellen te gebruiken, zegt Jean-Pol Dodelet , een professor in energie, materialen en telecommunicatie aan het Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Quebec.
Aan de anode van een conventionele brandstofcel met protonenuitwisselingsmembraan (PEM), splitst de katalysator waterstof in waterstofionen en elektronen, waarbij de laatste uit de cel stromen om stroom te creëren. Aan de kathode combineren zuurstofmoleculen met elektronen en waterstofionen om water te vormen. Deze reactie verloopt traag en om deze te versnellen is 10 keer zoveel platina nodig als er aan de anode wordt gebruikt. Als je platina probeert te vervangen, is het belangrijker om het platina bij de kathode te vervangen, zegt Dodelet.
Peter Strasser, hoogleraar chemische technologie aan zowel de Universiteit van Houston als de Technische Universiteit van Berlijn , begon in 2005 aan een nieuw type katalysator, waarbij nanodeeltjes van een koper-platina-legering op koolstofdragers werden afgezet. Wanneer een cyclische wisselstroom op het materiaal wordt toegepast, scheidt het koper zich af van het oppervlaktegebied, waardoor de nanodeeltjes een platinarijke buitenlaag krijgen.
in een recente Natuurchemie paper onthullen de onderzoekers het mechanisme dat deze katalysator actiever maakt dan gewoon platina. Door te bestuderen hoe röntgenstralen worden verstrooid door de nieuwe katalysator, ontdekten ze dat de afstand tussen de platina-atomen die op het oppervlak van de nanodeeltjes achterblijven, kleiner is dan de afstand in pure platina-nanodeeltjes. Een goede katalysator moet zuurstofmoleculen kunnen splitsen in atomen maar mag niet te sterk binden met de vrije atomen; de kortere afstand tussen platina-atomen in het nieuwe materiaal maakt het een effectievere katalysator omdat het nog zwakker bindt met de zuurstofatomen.
Er zijn alternatieven voor het gebruik van platina als katalysator. Dodelet en zijn groep hebben met General Motors samengewerkt om een veelbelovende op ijzer gebaseerde katalysator te ontwikkelen die ze nu op de markt willen brengen. Ondertussen zijn goedkope koolstofnanobuiskatalysatoren en nikkelkatalysatoren in de maak voor alkalische brandstofcelchemie.
Platinavrije katalysatoren hebben andere voordelen dan hun lage kosten, zegt: kalksteen , een professor materiaaltechniek aan de Universiteit van Dayton, in Ohio, die werkt aan koolstofnanobuiskatalysatoren. Platina-nanodeeltjes hebben de neiging hun katalytische efficiëntie te verliezen door na verloop van tijd te aggregeren tot grotere deeltjes of wanneer koolmonoxide aan hun oppervlak blijft kleven. Koolstofnanobuisjes zijn op de lange termijn robuuster, zegt Dai.
Dit is interessant werk en een belangrijke vooruitgang omdat het mechanisme ook op andere katalysatoren kan worden toegepast, zegt Dai over de nieuwe platinakatalysator. Het zou interessant zijn om de stabiliteit op lange termijn en het koolmonoxide [oppervlakte]-vergiftigingseffect voor dit soort kern-omhulselkatalysator te bekijken.
Strasser is het ermee eens dat de nieuwe katalysator verder moet worden getest. De grotere omvang van de kern-schildeeltjes maakt ze echter intrinsiek stabieler dan puur platina, zegt hij. Ook de keuze van dit metaal maakt verschil. We zijn ervan overtuigd dat alternatieve niet-platinametalen in de kern, zoals kobalt of nikkel, het stabiliteitsprobleem zullen oplossen terwijl het activiteitsvoordeel van de kern-schaalstructuur behouden blijft, zegt Strasser.
Het nieuwe materiaal is ook getest in werkende brandstofcellen, wat een cruciaal marktvoordeel zou kunnen zijn. De meeste van deze andere katalysatoren zijn gemeten in elektrochemische metingen, zegt hij. Ze hebben potentieel voor gebruik in de toekomst, maar deze [nieuwe katalysator] is iets dat we vandaag in echte brandstofcellen kunnen plaatsen.