Gemakkelijke en schaalbare productie van een brandstofcel-nanokatalysator voor de waterstofeconomie

Een brandstofcel is een elektrische stroomgenerator die elektriciteit kan produceren uit waterstofgas en daarbij alleen water als afvalproduct kan afvoeren. Het is te hopen dat dit zeer efficiënte schone energiesysteem een ​​sleutelrol zal spelen bij de acceptatie van de waterstofeconomie, ter vervanging van de verbrandingsmotoren en batterijen in auto’s en vrachtwagens, evenals energiecentrales.

De kosten van platina, die kunnen oplopen tot ~30.000 USD per kg, zijn echter een grote beperking geweest, waardoor brandstofcelkatalysatoren onbetaalbaar zijn geworden. De productiemethoden van goed presterende katalysatoren zijn ook gecompliceerd en grotendeels beperkt. Dienovereenkomstig is de ontwikkeling van een gemakkelijke en schaalbare productiemethode voor op platina gebaseerde brandstofcelkatalysatoren een urgente uitdaging, samen met het verbeteren van de katalytische prestaties en stabiliteit terwijl een minimale hoeveelheid platina wordt gebruikt.

Om dit probleem aan te pakken, heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Sung Yung-Eun en prof. Hyeon Taeghwan van het Center for Nanoparticle Research (CNR) binnen het Institute for Basic Science (IBS), Zuid-Korea een nieuwe methode ontdekt voor de productie van nanokatalysatoren.

De onderzoekers toonden aan dat deze nanodeeltjes van kobalt-platina (Co-Pt) legering van uniforme grootte (3-4 nanometer) kunnen worden geproduceerd door een eenvoudige warmtebehandeling. Deze methode combineert kenmerken van het gemak van de synthese van de impregneermethode, samen met de nauwkeurige controle over de grootte en vorm van de nanokristallen vergelijkbaar met de colloïdale methode.

De nieuwe nanokatalysatoren van Co-Pt-legering, ontwikkeld door het CNR-IBS-team, bestaan ​​uit twee tegengesteld geladen metaalcomplexen, met name Co- en Pt-ionen omgeven door respectievelijk bipyridine- en chloorliganden.

Het onderzoeksteam veronderstelde dat een eenvoudige warmtebehandeling ervoor zou zorgen dat het bipyridineligand thermisch zou ontbinden in een koolstofomhulsel dat de groeiende nanodeeltjes van de Co-Pt-legering kan beschermen. Na het optimaliseren van de warmtebehandelingsconditie slaagden ze erin een zeer uniforme nanokatalysator te verkrijgen met nanodeeltjes van slechts 3-4 nanometer groot.

In de door de groep ontwikkelde nanokatalysator waren Co- en Pt-atomen op een regelmatige manier gerangschikt, de ‘intermetallische fase’ genaamd, waarbij de onstabiele Co-atomen worden gestabiliseerd door de omliggende Pt-atomen. Bovendien, toen stikstof effectief op de koolstofdrager werd gedoteerd, werden ionomeren (protongeleiders) homogeen verspreid over de gehele katalysatorlaag in de brandstofcel, wat de toevoer van zuurstofgas naar het oppervlak van de Co-Pt-nanokatalysator beter vergemakkelijkte.

Deze structurele kenmerken zorgden voor een sterk verbeterde vermogensprestatie in de brandstofcel met protonenuitwisselingsmembraan, met een hoog specifiek nominaal vermogen van 5,9 kW/gPt, wat ongeveer het dubbele is van de huidige prestaties in een commercieel waterstofvoertuig. De door het team geproduceerde katalysator heeft de meeste van de doelstellingen voor 2025 bereikt die zijn vastgesteld door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) met als doel een stabiele werking van de brandstofcel op de lange termijn.

Het CNR-IBS-team is er sterk van overtuigd dat deze studie de ontwikkeling van brandstofcelkatalysatoren van de volgende generatie zou stimuleren. Deze bevindingen zouden ook bijdragen aan de verbetering van de katalytische prestaties en duurzaamheid van gelegeerd nanokatalysatoren voor verschillende andere elektrokatalytische toepassingen.

Prof. Hyeon zei: “Ontwerp van een nieuwe bimetaalverbinding als voorlopermateriaal is het cruciale uitgangspunt geweest in deze studie. We hebben een platformtechnologie ontwikkeld om een ​​gecompliceerde vorm van legeringsnanokatalysatoren te produceren via een eenvoudige en schaalbare methode, en uiteindelijk bereikt een verbeterde prestatie van het brandstofcelvermogen met minder gebruikte hoeveelheid platina.”

Prof. Sung zei: “In dit onderzoek is een prestatieniveau van wereldklasse van brandstofcellen bereikt, waarbij de meeste doelstellingen van het Amerikaanse DOE voor 2025 worden overtroffen door de hoeveelheid platina te verminderen die kan bijdragen tot ongeveer 40% van de brandstofkosten. cellen.” Hij voegde eraan toe: “We verwachten dat deze studie, samen met enkele vervolgstudies, een grote invloed zal hebben op de groei van de waterstofauto-industrie en de realisatie van de waterstofeconomie in de nabije toekomst.”

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen.