Stop-and-go kjøring kan bære på nervene, men det virkelig gjør en nummer på den dyrebare platina som driver reaksjoner i bilindustrien brenselceller.
Før store flåter av drivstoff-celle-drevne biler kan dra på tur, vil forskerne måtte finne en måte å beskytte platina, den dyreste komponenten av brenselcelle-teknologi, og for å redusere beløpet som trengs for å gjøre katalytisk aktive elektroder.
Nå har forskere ved US Department of Energys (DOE) Brookhaven National Laboratory har utviklet en ny electrocatalyst som bruker et enkelt lag av platina og minimerer sin slitasje og samtidig opprettholde høy grad av reaktivitet i tester som etterligner stop-and-go kjøring. Forskningen - beskrevet online i Angewandte Chemie, International Edition, og identifisert av tidsskriftet som en "svært viktig papir" - kan i stor grad forbedre praktiske brenselcelle-biler og kan også være aktuelt for å forbedre ytelsen til andre metallic katalysatorer.
Den nydesignede katalysatorer er sammensatt av et enkelt lag av platina over et palladium (eller palladium-gull legering) nanopartikkel kjerne. Deres strukturell karakterisering ble utført ved Brookhaven Senter for Funksjonell Nanomaterialer og National Synchrotron Light Source.
"Våre studier av struktur og aktivitet av dette katalysator - og sammenligninger med platina-karbon katalysatorer i bruk - illustrerer at palladium kjerne" beskytter "de fine laget av platina omgir partikler, slik at det å opprettholde reaktivitet for en mye lengre periode av tid, "forklarte Brookhaven Lab kjemiker Radoslav Adzic, som leder forskerteamet.
I konvensjonelt drivstoff-celle katalysatorer, oksidasjon og reduksjon sykling - utløst av endringer i spenningen som oppstår under stop-and-go kjøring - skader platina. Over tid, løser det platina, forårsaker irreversibel skade på brenselcellen.
I den nye katalysatoren, er palladium fra kjernen mer reaktivt enn platina i disse oksidasjon og reduksjon reaksjoner. Stabilitet tester som simulerer brenselcelle spenning sykling viste at etter 100 000 potensielle sykluser, hadde en betydelig mengde palladium blitt oksidert, oppløst, og flyttet vekk fra katoden. I membranen mellom anoden og katoden, ble oppløst palladium ioner redusert med hydrogen spre fra anoden å danne et "band" eller prikker.
I kontrast, ble platina nesten upåvirket, med unntak for en liten sammentrekning av platina monolayer. "Dette sammentrekning av platina gitteret gjør katalysator mer aktiv og stabilitet av partikler øker," Adzic sa.
Reaktivitet av platina monolayer / palladium kjerne katalysator også holdt seg ekstremt høy. Den ble redusert med bare 37 prosent etter 100 000 sykluser.
Bygger på tidligere arbeid som illustrerte hvordan små mengder av gull kan forbedre katalytisk aktivitet, forskerne også utviklet en form av platina monolayer katalysator med en palladium-gull legering kjerne. Tilsetning av gull ytterligere økt stabilitet electrocatalyst, som beholdt nesten 70 prosent av reaktivitet etter 200 000 sykluser med testing.
"Dette indikerer utmerket holdbarhet av denne electrocatalyst, spesielt sammenlignet med enklere platinum-karbon katalysatorer, som taper nesten 70 prosent av reaktivitet sine etter mye kortere sykling ganger. Dette nivået av aktivitet og stabilitet indikerer at dette er en praktisk katalysator. Den overstiger målet satt av DOE for 2010-2015, og det kan brukes til bilindustrien, "Adzic sa.
Han bemerket at brenselceller gjort ved hjelp av nye katalysator ville kreve bare ca 10 gram platina per bil - og mindre enn 20 gram palladium. Foreløpig er i katalysatorer som brukes til å behandle avgasser, 5 til 10 gram av platina brukes. Siden drivstoff-celle-drevne biler ville avgir ingen avgasser, ville det ikke være behov for slike katalysatorer, og dermed ingen netto økning i mengden av platina brukes.
"I tillegg til å utvikle electrocatalysts for bilindustrien brenselscelle applikasjoner, disse funnene indikerer den brede anvendelsen av platina monolayer katalysatorer og muligheten for å utvide dette konseptet til katalysatorer basert på andre edle metaller," Adzic sa.
Kilde: http://www.bnl.gov/