Chemiker der Brown University haben ein dreiköpfiges metallisches Nanopartikel entwickelt, das Berichten zufolge eine bessere Leistung und eine längere Lebensdauer aufweist als jeder andere bei Brennstoffzellenreaktionen untersuchte Nanopartikelkatalysator. Der Schlüssel ist die Zugabe von Gold: Es ergibt eine gleichmäßigere Kristallstruktur, während Kohlenmonoxid aus der Reaktion entfernt wird. Ergebnisse im Journal der American Chemical Society veröffentlicht.
PROVIDENCE, R. I. - Fortschritte in der Brennstoffzellentechnologie wurden durch die Unzulänglichkeit von Metallen, die als Katalysatoren untersucht wurden, gebremst. Abgesehen von den Kosten besteht der Nachteil von Platin darin, dass es bei Reaktionen mit Brennstoffzellen, die mit organischen Materialien wie Ameisensäure betrieben werden, Kohlenmonoxid absorbiert. Ein kürzlich getestetes Metall, Palladium, zerfällt mit der Zeit.
Nun haben Chemiker der Brown University ein dreiköpfiges metallisches Nanopartikel geschaffen, von dem sie sagen, dass es alle anderen anodenseitigen Nanopartikel bei Ameisensäure-Brennstoffzellen-Reaktionen übertrifft und überdauert. In einem im Journal der American Chemical Society veröffentlichten Artikel berichten die Forscher, dass ein 4-Nanometer-Eisen-Platin-Gold-Nanopartikel (FePtAu) mit einer tetragonalen Kristallstruktur einen höheren Strom pro Masseneinheit erzeugt als jeder andere getestete Nanopartikel-Katalysator. Darüber hinaus zeigt das trimetallische Nanopartikel bei Brown nach 13 Stunden fast die gleiche Leistung wie zu Beginn. Im Gegensatz dazu verlor eine andere Nanopartikel-Baugruppe, die unter identischen Bedingungen getestet wurde, in nur einem Viertel der Zeit fast 90 Prozent ihrer Leistung.
Bildnachweis: Sun Lab / Brown University
"Wir haben einen Ameisensäure-Brennstoffzellenkatalysator entwickelt, der bisher am besten entwickelt und getestet wurde", sagte Shouheng Sun, Chemieprofessor bei Brown und entsprechender Autor des Papiers. "Es hat eine gute Haltbarkeit sowie eine gute Aktivität."
Gold spielt eine Schlüsselrolle in der Reaktion. Erstens fungiert es als eine Art Gemeinschaftsorganisator, der die Eisen- und Platinatome in ordentliche, gleichmäßige Schichten innerhalb des Nanopartikels führt. Die Goldatome verlassen dann die Bühne und binden an die äußere Oberfläche der Nanopartikelanordnung. Gold ordnet die Eisen- und Platinatome effektiv, da die Goldatome zu Beginn zusätzlichen Raum in der Nanopartikelkugel schaffen. Wenn die Goldatome beim Erhitzen aus dem Raum diffundieren, schaffen sie mehr Raum für die Ansammlung der Eisen- und Platinatome. Gold erzeugt die von Chemikern gewünschte Kristallisation in der Nanopartikelanordnung bei niedrigeren Temperaturen.
Gold entfernt auch Kohlenmonoxid (CO) aus der Reaktion, indem es seine Oxidation katalysiert. Kohlenmonoxid ist nicht nur gefährlich zum Atmen, sondern bindet sich auch gut an Eisen- und Platinatome, wodurch die Reaktion beschleunigt wird. Durch wesentliches Auswaschen aus der Reaktion verbessert Gold die Leistung des Eisen-Platin-Katalysators. Das Team entschied sich für einen Versuch mit Gold, nachdem es in der Literatur gelesen hatte, dass Goldnanopartikel Kohlenmonoxid wirksam oxidieren - so effektiv, dass Goldnanopartikel in die Helme japanischer Feuerwehrleute eingebaut worden waren. Tatsächlich haben die dreiköpfigen metallischen Nanopartikel des Brown-Teams ebenso gut CO bei der Oxidation von Ameisensäure entfernt, obwohl nicht genau bekannt ist, warum.
Die Autoren heben auch die Bedeutung der Schaffung einer geordneten Kristallstruktur für den Nanopartikelkatalysator hervor. Gold hilft Forschern dabei, eine Kristallstruktur zu erhalten, die als "flächenzentriert-tetragonal" bezeichnet wird. Diese vierseitige Form zwingt Eisen- und Platinatome dazu, bestimmte Positionen in der Struktur einzunehmen, wodurch mehr Ordnung entsteht. Durch die Auferlegung einer atomaren Ordnung binden sich die Eisen- und Platinschichten enger in der Struktur, wodurch die Anordnung stabiler und haltbarer wird, was für leistungsfähigere und länger anhaltende Katalysatoren wesentlich ist.
In Experimenten erreichte der FePtAu-Katalysator 2809,9 mA / mg Pt (Massenaktivität oder erzeugter Strom pro Milligramm Platin), „was der höchste aller jemals gemeldeten NP-Katalysatoren (Nanopartikel) ist“, schreiben die Brown-Forscher. Nach 13 Stunden hat das FePtAu-Nanopartikel eine Massenaktivität von 2600 mA / mg Pt oder 93 Prozent seines ursprünglichen Leistungswerts. Zum Vergleich schreiben die Wissenschaftler, dass das gut aufgenommene Platin-Wismut-Nanopartikel bei identischen Experimenten eine Massenaktivität von etwa 1720 mA / mg Pt aufweist und im Hinblick auf die Haltbarkeit viermal weniger aktiv ist.
Die Forscher stellen fest, dass andere Metalle das Gold im Nanopartikelkatalysator ersetzen können, um die Leistung und Haltbarkeit des Katalysators zu verbessern.
"Diese Mitteilung präsentiert eine neue Strategie zur Strukturkontrolle, mit der die Nanopartikelkatalyse für die Oxidation von Kraftstoffen optimiert und optimiert werden kann", schreiben die Forscher.
Sen Zhang, ein Doktorand im dritten Jahr in Suns Labor, half beim Design und der Synthese von Nanopartikeln. Shaojun Guo, Postdoktorand in Suns Labor, führte elektrochemische Oxidationsexperimente durch. Huiyuan Zhu, ein Student im zweiten Studienjahr im Labor von Sun, synthetisierte die FePt-Nanopartikel und führte Kontrollexperimente durch. Der andere mitwirkende Autor ist Dong Su vom Center for Functional Nanomaterials des Brookhaven National Laboratory, der die Struktur des Nanopartikelkatalysators mithilfe der dortigen fortschrittlichen Elektronenmikroskopie-Einrichtungen analysierte.
Das US-Energieministerium und die Exxon Mobil Corporation finanzierten die Forschung.