Een nieuwe platina nanocluster voor verbeterde zuurstofreductiereactie in brandstofcellen

De dubbele problemen van klimaatverandering en het tekort aan fossiele brandstoffen zijn twee primaire uitdagingen van energieonderzoek. Polymeerelektrolyt-brandstofcellen (PEFC’s), die de schone brandstof waterstof produceren, zijn een van de meest veelbelovende opties om beide uitdagingen aan te gaan.

PEFC’s zijn echter duur om te maken en te bedienen, voornamelijk vanwege de grote hoeveelheid platina (Pt) die ze nodig hebben. Bovendien is de hoeveelheid Pt in de aardkorst beperkt, wat betekent dat om PEFC’s echt duurzaam te maken, het noodzakelijk is om de hoeveelheid Pt die ze gebruiken te verminderen.

Momenteel gebruiken PEFC’s kathoden (de positieve elektrode) gemaakt met Pt-nanodeeltjes (NP’s) die worden ondersteund op carbon black (Pt NP’s/CB). Recent onderzoek heeft echter aangetoond dat Pt-nanoclusters (Pt NC’s) een hogere zuurstofreductiereactie (ORR) hebben dan Pt NP’s, dat wil zeggen dat ze beter presteren. Tot nu toe was de reden voor de hoge ORR-activiteit van Pt NC onduidelijk.

Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Yuichi Negishi van de Tokyo University of Science (TUS) een nieuwe Pt NC ontwikkeld die 2,1 keer hogere ORR-activiteit vertoont dan commerciële Pt NP’s en de oorsprong van zijn hoge activiteit opgehelderd.

“In onze studie hebben we ons gericht op Pt NC’s afgeleid van een Pt, koolstofcarboxylaat (CO) en trifenylfosfine (PPh₃) basis dwz, [Pt₁₇(CO)₁₂(PPh₃)₈]^z (waarbij z = 1+ of 2+). We hebben onlangs aangetoond dat deze Pt NC’s, in tegenstelling tot andere, stabiel zijn in de lucht. Vervolgens hebben we dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT)-berekeningen uitgevoerd om de reden voor zijn opmerkelijke activiteit te onthullen’, zegt prof. Negishi.

Het onderzoeksteam bestond verder uit Junior Associate Professor Tokuhisa Kawawaki van Tokyo University of Science, Associate Professor Kenji Iida van Hokkaido University, Professor Toshihiko Yokoyama van Institute for Molecular Science, Japan, en Professor Gregory F. Metha van de University of Adelaide, Australië. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nanoschaal op 24 maart 2023.

De onderzoekers bereidden de Pt NC’s voor door adsorptie van [Pt₁₇(CO)₁₂(PPh₃)₈]^z op carbonzwart, gevolgd door een calcineringsreactie. Vervolgens vergeleken ze de prestaties met conventionele Pt NP’s / CB’s met behulp van een techniek die lineaire sweep-voltametrie wordt genoemd. Ze ontdekten dat de nieuwe Pt NC’s betere prestaties hadden dan de Pt NP’s/CB. Met name bij 0,9 volt hadden de Pt NC’s een 2,1 keer hogere activiteit dan de Pt NP’s/CB. Ze ontdekten ook dat toenemende Pt-belasting in de elektrode leidt tot een toename van de massaactiviteit en dat de PT NC’s een hogere duurzaamheid hadden dan de commerciële PT NP’s/CB.

Vervolgens voerden ze DFT-berekeningen uit om de oorsprong van de hoge activiteit op te helderen. “Onze berekeningen suggereren dat de hoge ORR-activiteit van de nieuwe Pt NC’s te danken is aan de Pt-atomen aan het oppervlak, die een elektronische structuur hebben die geschikt is voor de voortgang van ORR”, onthult prof. Negishi.

Deze bevindingen kunnen dienen als leidraad voor het ontwerp van toekomstige hoogactieve, krachtige Pt-katalysatoren voor gebruik in PEFC’s, die ons een stap verder zullen brengen in de richting van het verminderen van de klimaatverandering en de fossiele brandstofcrisis.