Een katalysator die platina legert met een zeldzaam aardelement kan de brandstofcelkosten verlagen

Onderzoekers hebben een methode bedacht voor het combineren van duur platina en een goedkoop zeldzaam aarde-element, lanthaan, als een legering om als katalysator te dienen in de volgende generatie brandstofcellen die hun prestaties zullen verbeteren en hun kosten zullen verlagen. De ontwikkeling moet het gemakkelijker maken om zware transportvoertuigen die minder geschikt zijn voor het gebruik van batterijen, koolstofarm te maken.

De methode wordt beschreven in een paper dat verschijnt in Nano-onderzoek.

Batterijen hebben de strijd tegen waterstofbrandstofcellen misschien gewonnen voor het schoon aandrijven van auto’s, maar een aantal andere vormen van transport vinden het moeilijk om verbrandingsmotoren te vervangen door batterijen vanwege een reeks obstakels, zoals het gewicht en het volume van batterijen die vereist zijn voor het soort diensten dat ze leveren. Dit geldt met name voor zwaar transport zoals scheepvaart, luchtvaart en langeafstandsvrachtvervoer. In deze gevallen suggereren de meeste transportanalisten dat ze in plaats daarvan waarschijnlijk afhankelijk zijn van een soort schone brandstof.

Een brandstofcel kan voertuigen en andere machines aandrijven door de chemische energie van waterstof om te zetten in elektriciteit, met als enige andere output water en warmte. Tot nu toe was het type brandstofcel dat het meest werd gebruikt in een aantal apparaten, van satellieten tot de Space Shuttle, de alkalische brandstofcel, waarvan de uitvinding bijna een eeuw teruggaat.

De volgende generatie zal er waarschijnlijk meer uitzien als de polymere elektrolytmembraanbrandstofcel (PEMFC), die ook waterstof gebruikt om elektriciteit te produceren, maar hij is veel compacter, waardoor hij vooral aantrekkelijk is voor zware transportvoertuigen.

De sleutel om dergelijke elektrochemische reacties efficiënter te maken – en dus de kosten van brandstofcellen te verlagen om ze concurrerender te maken met het gebruik van fossiele brandstoffen – is het vinden van betere katalysatoren, materialen die die reacties versnellen.

Helaas is platina veruit de beste van al deze “elektrokatalysatoren” die de belangrijkste chemische reactie mogelijk maken (de zuurstofreductiereactie of ORR). En platina, een zeldzaam metaal, is niet goedkoop. Vooral voor PEMFC’s vormden de ongelooflijk hoge kosten van platina een grote belemmering voor hun adoptie. Snelle degradatie na een relatief klein aantal gebruikscycli van deze toch al dure elektrokatalysator in de zeer corrosieve PEMFC-omgeving heeft de situatie alleen maar erger gemaakt.

“Dus er wordt gezocht naar een elektrokatalysator die goedkoop is, beter bestand is tegen degradatie en dus stabiel is over langere tijdsperioden, terwijl hij ook een indrukwekkende stroomdichtheid levert, met andere woorden de hoeveelheid elektrische stroom per volume-eenheid,” zei Siyuan Zhu, een van de auteurs van het artikel en een elektrochemicus bij het Changchun Institute of Applied Chemistry aan de Chinese Academie van Wetenschappen, “en ons zo in staat te stellen de belofte van de compactheid van PEMFC’s waar te maken.”

De belangrijkste optie die is overwogen voor kostenreductie is door de hoeveelheid platina die nodig is als elektrokatalysator te “verdunnen” door het te legeren met andere, goedkopere metalen die de katalytische eigenschappen van platina kunnen ondersteunen of zelfs verbeteren.

En de belangrijkste kandidaten voor het legeren met platina zijn tot nu toe de zogenaamde late overgangsmetalen. Overgangsmetalen zijn die elementen die je in het midden, of d-blok, van het periodiek systeem vindt. IJzer, mangaan en chroom zijn overgangsmetalen in het midden van dat middenblok, en de ‘late’ overgangsmetalen, zoals cadmium en zink, vind je aan de rechterkant ervan.

Het is echter bewezen dat late overgangsmetalen niet immuun zijn voor oplossen in de agressieve, corrosieve PEMFC-omgeving. Dit resulteert niet alleen in gestage afname van de prestaties, maar het opgeloste metaal reageert verder met bijproducten van de zuurstofreductiereactie, waardoor oncontroleerbare schade aan het hele systeem wordt veroorzaakt.

De vroege overgangsmetalen, die aan de linkerkant van het middelste blok in het periodiek systeem zoals yttrium en scandium, zijn echter veel stabieler. Theoretische berekeningen hebben uitgewezen dat legeringen van platina en deze twee vroege overgangsmetalen tot nu toe de meest stabiele zijn.

Van de vroege overgangsmetalen is tot nu toe één groep over het hoofd gezien: de zeldzame aardelementen (REE’s). Ondanks de naam komen REE’s eigenlijk vrij veel voor in de aardkorst en kunnen ze aanzienlijk bijdragen aan de elektrochemische activiteit van katalysatoren. Dus het probleem tot nu toe bij het verkennen van REE’s als mogelijke legeringspartners voor platina is niet het gevolg van de kosten, maar van hun slechte geleidbaarheid en oplosbaarheid in zure media. In principe kunnen beide problemen worden overwonnen door synthetische methoden te gebruiken voor de productie van een platina-REE-legering, maar tot nu toe zijn er weinig rapporten over mogelijke synthetische methoden.

Dus bedachten de onderzoekers er een voor de bereiding van een legering tussen platina en het REE-lanthaan.

De techniek omvat slechts twee eenvoudige stappen. Ten eerste verkregen de onderzoekers gemakkelijk verkrijgbare lanthaanzouten en trimesinezuur, en deze twee voorlopermaterialen assembleerden zichzelf vervolgens tot “staafjes” op nanoschaal. Deze nanostaafjes werden vervolgens geïmpregneerd met platina bij 900°C. Deze zeer hoge temperatuur is nodig om een ​​soepel legeringsproces van de twee metalen te verzekeren.

De resulterende platina-lanthaan-nanodeeltjes werden vervolgens op stress getest op hun prestaties in een brandstofcel. De elektrokatalysator van gelegeerd materiaal overtrof de verwachtingen van de onderzoekers en leverde superieure stabiliteit en activiteit, zelfs na 30.000 brandstofcelcycli.

Nu het succes van lanthaan als legeringspartner voor platina is aangetoond, willen de onderzoekers nu andere zeldzame aardelementen proberen om te legeren met platina om te zien of ze de elektrokatalytische prestaties van lanthaan kunnen verslaan.