Wydajne, niezawodne i ekonomiczne materiały katalityczne są kluczem do osiągnięcia przełomu w technologii ogniw paliwowych. Podstawowym rodzajem ogniw są te wodorowo-tlenowe z membraną do wymiany protonów.
Zwykle elektrody mają postać nawęglonego papieru pokrytego platyną w charakterze katalizatora reakcji. Naukowcy z Jülich i Berlina opracowali materiał katalizujący, który wymaga 1/10 ilości platyny, która była potrzebna do tej pory. Obserwując strukturę pod mikroskopem elektronowym, naukowcy stwierdzili, że decydujący wpływ na wydajność katalizatora ma geometryczny kształt i struktura atomowa nanocząstek.
Odkrycie daje nowe możliwości budowy wydajniejszych katalizatorów. Wyniki badań zostały opublikowane w najnowszym wydaniu czasopisma Nature Materials.
Dwa różne kryształy platyny o wysokości 1 cm.
Napędzane wodorem ogniwa paliwowe są uważane za najbardziej ekologiczną alternatywę dla tradycyjnych silników spalinowych (oprócz energii elektrycznej). Końcowym produktem jest to H2O czyli woda w postaci ciekłej lub pary. Obecnie budowa wodorowych ogniw paliwowych jest utrudniona ze względu na wysokie ceny platyny. Duże ilości tego drogiego metalu szlachetnego są wymagane jako składnik elektrod w ogniwach paliwowych, na których zachodzą reakcje chemiczne. Bez udziału platyny, nie jest obecnie możliwe osiągnięcie odpowiedniego działania ogniwa.
Kataliza odbywa się na powierzchni platynowej elektrody. Wydajność elektrod można poprawić poprzez zastosowanie nanocząstek platyny, zwiększając w ten sposób powierzchnię właściwą elektrody. Nanocząstki są około dziesięciu tysięcy razy mniejsze niż średnica ludzkiego włosa, powierzchnia kilograma takich cząstek jest równoważna z powierzchnią kilku boisk piłkarskich.
Aby zaoszczędzić na platynie często domieszkuje się elektrody mniej cennymi metalami, takimi jak nikiel lub miedź.
Nowy materiał nie składa się z okrągłych nanocząstek (które używane są to tej pory), ale z oktaedrów stopu nanocząstek platyny i niklu. Inżynierowie stwierdzili, że unikalny sposób ułożenia struktury atomów platyny i niklu jest optymalny do przyspieszenia reakcji chemicznej pomiędzy wodorem i tlenem. Okrągłe lub sześcienne cząstki są mniej skutecznymi katalizatorami, ze względu na rozkład platyny na powierzchni, co wymaga zwiększenia ilości tego metalu szlachetnego.
Cykl życia katalizatorów jest równie istotny i zależy od struktury atomowej. Zespół badawczy skorzystał z mikroskopu elektronowego robiącego zdjęcia w ultrawysokiej rozdzielczości w Ernst Ruska-Centre (ER-C). “Decydującym dla zrozumienia cyklu życia katalizatorów była obserwacja, że atomy niklu i platyny nie są równomiernie rozmieszczone na powierzchni nanooktaedru” wyjaśniają dr Marc Heggen z ER-C i Peter Grünberg z Institute Forschungszentrum Jülich. “Jest to niezwykle korzystne dla wydajności, ale skraca czas pracy takiej elektrody” – dodali naukowcy.
“Te pionierskie prace bezpośrednio dowodzą, że wybór odpowiedniego kształtu geometrycznego dla cząstek katalizatora jest tak samo ważne dla optymalizacji ich funkcji jak wybór składu i wielkości cząstek” – mówi prof. Peter Strasser z Technische Universität Berlin.
Źródło:
[1] Compositional segregation in shaped Pt alloy nanoparticles and their structural behaviour during electrocatalysis. Chunhua Cui, Lin Gan, Marc Heggen, Stefan Rudi & Peter Strasser. Nature Materials 12, 765–771 (2013)
[2] http://www.nature.com/nmat/journal/v12/n8/full/nmat3668.html |17.06.2013
[3] Platinum-crystals by Jurii, Wikimedia Commons, CC-BY-3.0