В журнале Science химики из Аргонны определили новый катализатор, который максимизирует эффективность платины.
Платина - более редкий драгоценный металл, чем серебро или золото. Платина, известная среди производителей топливных элементов своей эффективностью в преобразовании водорода и кислорода в воду и электричество, обладает непревзойденной активностью и стабильностью в электрохимических реакциях.
Но платина одновременно дефицитна и дорога, а это означает, что ученые стремятся создать практичные катализаторы для топливных элементов, которые используют гораздо меньше дорогостоящего драгоценного металла.
В новом исследовании Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE), опубликованном в журнале Science, ученые определили новый катализатор, в котором используется только около четверти платины по сравнению с существующей технологией, за счет максимизации эффективности доступной платина.
Если вам изначально дали очень небольшое количество платины, вы должны использовать ее наилучшим образом, - Ди-Цзя Лю, химик из Аргонны.
В топливном элементе платина используется двумя способами - для преобразования водорода в протоны и электроны и для разрыва кислородных связей с образованием воды. Последняя реакция, реакция восстановления кислорода, требует особенно большого количества платины, и ученые искали способ уменьшить содержание платины в катализаторах восстановления кислорода.
Аргоннские ученые нашли новые способы существенно улучшить использование платины. Во-первых, они изменили форму платины, чтобы максимально увеличить ее доступность и реакционную способность в катализаторе. В этой конфигурации несколько слоев атомов чистой платины покрывают ядро наночастицы сплава кобальта и платины, образуя структуру ядро-оболочка.
«Если вам дали очень небольшое количество платины, вы должны использовать ее наилучшим образом», - сказал химик из Аргонны Ди-Цзя Лю, автор исследования. «Использование сплава ядро-оболочка из платины и кобальта позволяет увеличить количество каталитически активных частиц для распределения по поверхности катализатора, но это только первый шаг».
Наночастицы ядро-оболочка сами по себе все еще не могли справиться с большим притоком кислорода, когда топливному элементу необходимо запустить электрический ток. Чтобы повысить эффективность катализатора, Лю и его коллеги использовали другой подход, который они хорошо знали из своих прошлых исследований, создавая каталитически активную подложку, не содержащую металлов платиновой группы (без МПГ), в качестве носителя наночастиц кобальт-платинового сплава..
Используя металлоорганические каркасы в качестве прекурсоров, Лю и его коллеги смогли приготовить кобальт-азот-углеродную композитную подложку, в которой каталитически активные центры равномерно распределены рядом с платино-кобальтовыми частицами. Такие активные центры способны сами разрывать кислородные связи и работать синергетически с платиной.
«Вы можете думать об этом как о молекулярной футбольной команде», - сказал Лю. «Наночастицы ядро-оболочка действуют как линейные защитные линии, тонко рассредоточенные по всему полю, пытаясь справиться со слишком большим количеством молекул кислорода одновременно. Что мы сделали, так это сделали само «поле» каталитически активным, способным помогать борьба с кислородом."
Как оказалось, новый комбинированный катализатор не только улучшил активность, но и долговечность по сравнению с каждым компонентом по отдельности.
Лю и его коллеги создали запатентованный процесс, который включает в себя сначала нагрев кобальтсодержащих металлоорганических каркасов. По мере повышения температуры некоторые атомы кобальта взаимодействуют с органикой, образуя подложку, свободную от МПГ, в то время как другие восстанавливаются до хорошо диспергированных небольших металлических кластеров по всей подложке. После добавления платины с последующим отжигом образуются частицы ядра-оболочки из платины и кобальта, окруженные активными центрами, не содержащими МПГ.
Хотя конечной целью является полное исключение платины из катализаторов водородных топливных элементов, Лю сказал, что текущие исследования открывают новое направление в рассмотрении как активности, так и долговечности катализаторов топливных элементов экономически эффективным способом. «Поскольку для новых катализаторов требуется лишь сверхнизкое количество платины, аналогичное тому, которое используется в существующих автомобильных каталитических нейтрализаторах, это может помочь облегчить переход от обычных двигателей внутреннего сгорания к автомобилям на топливных элементах без нарушения цепочки поставок платины и рынка», - сказал он. сказал.
Исследование включало в себя компьютерное моделирование и расширенную структурную характеристику, выполненную частично в Аргоннском усовершенствованном источнике фотонов и Центре наноразмерных материалов, которые используются Управлением науки Министерства энергетики США.