Kemikere ved Brown University har oprettet en tredobbelt metallisk nanopartikel, der angiveligt klarer sig bedre og varer længere end nogen anden nanopartikelkatalysator, der er undersøgt i brændselscellereaktioner. Nøglen er tilsætningen af guld: Det giver en mere ensartet krystalstruktur, mens kulmonoxid fjernes fra reaktionen. Resultater offentliggjort i Journal of the American Chemical Society.
PROVIDENCE, R.I. - Fremskridt inden for brændselscelleteknologi er blevet styrket af utilstrækkeligheden af metaller, der er undersøgt som katalysatorer. Ulempen med platin, bortset fra omkostninger, er, at det absorberer kulilte i reaktioner, der involverer brændselsceller drevet af organiske materialer som myresyre. Et mere for nylig testet metal, palladium, nedbrydes over tid.
Nu har kemikere ved Brown University skabt en tredobbelt metallisk nanopartikel, som de siger at er bedre end alle andre ved anodeenden i myresyre brændselscellereaktioner. I et papir, der blev offentliggjort i Journal of the American Chemical Society, rapporterer forskerne en 4-nanometer jern-platinaguld-nanopartikel (FePtAu) med en tetragonal krystalstruktur genererer højere strøm pr. Masseenhed end nogen anden testet nanopartikelkatalysator. Derudover fungerer den trimetalliske nanopartikel ved Brown næsten lige så godt efter 13 timer, som den gjorde ved starten. I modsætning hertil mistede en anden nanopartikelsamling, der blev testet under identiske forhold næsten 90 procent af dens ydeevne på kun en fjerdedel af tiden.
Billedkredit: Sun Lab / Brown University
”Vi har udviklet en maursyre brændselscellekatalysator, der er den bedste, der er blevet skabt og testet indtil videre,” sagde Shouheng Sun, kemi professor ved Brown og tilsvarende forfatter på papiret. "Det har god holdbarhed såvel som god aktivitet."
Guld spiller nøgleroller i reaktionen. For det første fungerer det som en samfundsorganisator, der fører jern- og platinatomer ind i pæne, ensartede lag inden i nanopartiklen. Guldatomer forlader derefter scenen og binder til den ydre overflade af nanopartikelsamlingen. Guld er effektivt til at bestille jern- og platinatomer, fordi guldatomerne skaber ekstra plads inden for nanopartikelsfæren fra starten. Når guldatomerne diffunderer fra rummet ved opvarmning, skaber de mere plads til jern- og platinatomerne til at samle sig selv. Guld skaber krystallisation, som kemikere ønsker i nanopartiklesamlingen ved lavere temperatur.
Guld fjerner også kulilte (CO) fra reaktionen ved at katalysere dens oxidation. Carbonmonoxid, bortset fra at være farligt at indånde, binder godt til jern- og platinatomer, idet han reagerer. Ved i det væsentlige at skrubbe den fra reaktionen forbedrer guld ydeevnen af jern-platinakatalysatoren. Holdet besluttede at prøve guld efter at have læst i litteraturen, at guld nanopartikler var effektive til at oxidere kulilte - faktisk så effektiv, at guld nanopartikler var blevet inkorporeret i hjelme fra japanske brandmænd. Faktisk fungerede Brown-teamets tredobbelte metalliske nanopartikler lige så godt med at fjerne CO i oxidation af myresyre, skønt det er uklart, hvorfor.
Forfatterne fremhæver også vigtigheden af at skabe en ordnet krystalstruktur for nanopartikelkatalysatoren. Guld hjælper forskere med at få en krystalstruktur kaldet ”ansigt-centreret-tetragonal”, en firsidet form, hvor jern og platinatomer i det væsentlige tvinges til at besætte bestemte positioner i strukturen, hvilket skaber mere orden. Ved at pålægge atomordre bindes jern- og platinlagene tættere i strukturen, hvilket gør samlingen mere stabil og holdbar, essentiel for bedre udførende og længerevarende katalysatorer.
I eksperimenter nåede FePtAu-katalysatoren 2809,9 mA / mg Pt (masseaktivitet eller strøm genereret pr. Milligram platin), "som er den højeste blandt alle NP (nanopartikel) katalysatorer, der nogensinde er rapporteret," skriver Brown-forskerne. Efter 13 timer har FePtAu-nanopartiklen en masseaktivitet på 2600 mA / mg Pt, eller 93 procent af dets oprindelige ydelsesværdi. Til sammenligning skriver forskerne, at den velmodificerede platin-vismut-nanopartikel har en masseaktivitet på ca. 1720 mA / mg Pt under identiske eksperimenter og er fire gange mindre aktiv, når den måles for holdbarhed.
Forskerne bemærker, at andre metaller kan erstattes med guld i nanopartikelkatalysatoren for at forbedre katalysatorens ydelse og holdbarhed.
"Denne meddelelse præsenterer en ny struktur-kontrolstrategi til at indstille og optimere nanopartikelkatalyse til brændstofoxidation," skriver forskerne.
Sen Zhang, en tredjeårs kandidatstuderende i Suns laboratorium, hjalp med design og syntese af nanopartikler. Shaojun Guo, en postdoktor i Suns laboratorium udførte elektrokemiske oxidationseksperimenter. Huiyuan Zhu, en andenårs kandidatstuderende i Suns laboratorium, syntetiserede FePt-nanopartiklerne og gennemførte kontroleksperimenter. Den anden, der bidrager, er Dong Su fra Center for Functional Nanomaterials på Brookhaven National Laboratory, der analyserede strukturen af nanopartikelkatalysatoren ved hjælp af de avancerede elektronmikroskopifaciliteter der.
Det amerikanske departement for energi og Exxon Mobil Corporation finansierede forskningen.