PT-nano-katalysator met grafeenzakken verbetert de duurzaamheid en efficiëntie van brandstofcellen

De productie en inzet van hybride en elektrische voertuigen neemt toe, wat bijdraagt ​​aan voortdurende inspanningen om de transportindustrie te ontcaronen. Hoewel auto’s en kleinere voertuigen kunnen worden aangedreven met behulp van lithiumbatterijen, zijn opwindende zware voertuigen, zoals vrachtwagens en grote bussen, tot nu toe veel uitdagender gebleken.

Brandstofcellen, apparaten die elektriciteit genereren via chemische reacties, zijn veelbelovende oplossingen voor het voeden van zware voertuigen. De meeste tot nu toe gebruikte brandstofcellen zijn zogenaamde protonuitwisselingsmembraanbrandstofcellen (PEMFC’s), cellen die elektriciteit genereren via de reactie van waterstof en zuurstof, waardoor protonen van hun anode naar hun kathode worden uitgevoerd met behulp van een vast polymeermembraan.

Ondanks hun potentieel hebben veel bestaande brandstofcellen een beperkte levensduur en efficiëntie. Deze beperkingen hebben tot nu toe hun wijdverbreide acceptatie gehinderd bij de productie van elektrische of hybride vrachtwagens, bussen en andere zware voertuigen.

Een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), geleid door professor Yu Huang, ontwierp onlangs een Nieuw Platinum (PT) -gebaseerde nanokatalysator, een materiaal dat chemische reacties versnelt en kan helpen de efficiëntie en duurzaamheid van brandstofcellen te verbeteren. Deze katalysator, gepresenteerd in een papier gepubliceerd in Natuurnanotechnologiebestaat uit PT -nanodeeltjes, beschermd door grafeen nanopockets en ondersteund op een vorm van koolstof die bekend staat als ketjenblack.

“Ons onderzoek is voortgekomen uit een dringende behoefte om zware voertuigen (HDV’s) te ontcaronen, zoals langeafstandswagens, die een uitgebreide operationele reeks en duurzaamheid vereisen,” vertelde Huang, senior auteur van de paper, aan Phys.org. “Brandstofcellen vertegenwoordigen een veelbelovende oplossing voor opwindende HDV’s vanwege hun superieure massaspecifieke energiedichtheid op systeemniveau in vergelijking met batterijen. Een groot obstakel is echter katalysatorstabiliteit.”

Platinum en andere legeringsmetalen die typisch worden gebruikt om katalysatoren voor PEMFC’s te fabriceren, hebben de neiging geleidelijk op te lossen en sommige van hun atomen worden opnieuw afgezet op andere deeltjes, waardoor ze groter worden. Dit proces vermindert het gebied van de katalysator die reacties in brandstofcellen kan versnellen, waardoor hun prestaties in de loop van de tijd afnemen.

“Gemotiveerd door deze uitdaging ontwikkelde ons team van UCLA een op PT gebaseerde katalysator met een innovatieve beschermende maar permeabele structuur”, aldus Huang. “Ons primaire doel was om een ​​katalysatorarchitectuur te ontwerpen die effectief metaaloplossing voorkomt en een hoge katalytische activiteit bijhoudt bij langdurig gebruik.”

De op PT gebaseerde nano-katalysator ontwikkeld door Huang en haar collega’s heeft een uniek ontwerp dat zijn degradatie in de loop van de tijd vertraagt. De katalysator bestaat uit ultrafijne PT -nanodeeltjes ingekapseld in dunne en beschermende lagen van grafeen, bekend als grafeen nanopockets.

“Deze grafeen-nanopockets beschermen de platina-nanodeeltjes tegen oplossen en samenvloeien (samen klonteren),” legde Zeyan Liu, co-eerste auteur van het artikel uit. “Bovendien zijn deze beschermde nanodeeltjes beperkt binnen de poriën van een koolstofsteun, waardoor de stabiliteit en duurzaamheid onder harde operationele omstandigheden aanzienlijk worden verbeterd.”

Deze recente studie introduceerde een alternatieve katalysator die de prestaties en duurzaamheid van brandstofcellen zou kunnen stimuleren, omdat deze niet snel verslechtert zoals veel katalysatoren die in het verleden zijn geïntroduceerd. In de eerste tests leverde de nieuwe op PT gebaseerde nanokatalysator zeer veelbelovende resultaten op, omdat brandstofcellen die het opnemen, ongekende stabiliteit opleverden, terwijl ook een hoge katalytische activiteit en efficiëntie handhaafde.

“De katalysator vertoonde uitzonderlijke prestaties, inclusief een initiële massaactiviteit van 0,74 A mg⁻¹ en een nominale vermogensdichtheid van 1,08 W cm⁻²,” zei Bosi Peng, co-eerste auteur van het papier. “Opmerkelijk is dat de katalysator minder dan 1,1% vermogensverlies ondervond na het ondergaan van een rigoureuze versnelde stresstest van 90.000 spanningscycli. Deze statistieken suggereren een geprojecteerde levensduur van de brandstofcel van meer dan 200.000 uur, wat de huidige doelen van energiedoelen voor zware brandstofcellen aanzienlijk overtreft.”

In de toekomst kan de nieuwe katalysator ontworpen door Huang en haar collega’s worden gebruikt om nieuwe sterk presterende en duurzame waterstofgebaseerde brandstofcellen te ontwikkelen. Deze brandstofcellen kunnen op hun beurt worden gebruikt om verschillende zware voertuigen van stroom te voorzien, wat bijdraagt ​​aan voortdurende inspanningen die gericht zijn op het verminderen van de uitstoot van koolstof.

“Onze studie vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in het verminderen van de uitstoot en het verbeteren van het brandstofverbruik in transportsectoren die sterk bijdragen aan energieverbruik en milieu -impact,” voegde Huang toe. “Naast het verder verbeteren van de activiteit van platinacatalysator en duurzaamheid, willen we toekomstig onderzoek richten op het optimaliseren van de hele katalysatorelektrodestructuur om de prestaties van de brandstofcel verder te verbeteren.

“Het ontwikkelen van geavanceerde koolstofondersteuningsmaterialen, innovatieve elektrode-architectuur en verbeterde ionomeercomponenten zullen even kritisch zijn, omdat ze aanzienlijk invloed hebben op prestaties met hoge stroom en de algehele stabiliteit van de brandstofcel.”

De onderzoeksgroep van Huang bij UCLA voert nu verder onderzoek uit op het verbeteren en bevorderen van brandstofcellen. Hun inspanningen zijn momenteel gericht op de verbetering van membraanelektrode -assemblages, de centrale component van PEMFC’s.