Verbeterde brandstofcelprestaties met behulp van halfgeleiderproductietechnologie

Een onderzoeksteam in Korea heeft metalen nanodeeltjes gesynthetiseerd die de prestaties van waterstofbrandstofcelkatalysatoren drastisch kunnen verbeteren door gebruik te maken van halfgeleiderproductietechnologie. Het Korea Institute of Science and Technology (KIST) heeft aangekondigd dat het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Sung Jong Yoo van het Hydrogen Fuel Cell Research Center erin is geslaagd nanodeeltjes te synthetiseren met een fysieke methode in plaats van de bestaande chemische reacties met behulp van de sputtertechnologie, dat is een technologie voor het neerslaan van dunne metaalfilms die wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders.

Metalen nanodeeltjes zijn de afgelopen decennia op verschillende gebieden onderzocht. Onlangs hebben metalen nanodeeltjes de aandacht getrokken als een kritische katalysator voor waterstofbrandstofcellen en waterelektrolysesystemen om waterstof te produceren. Metalen nanodeeltjes worden voornamelijk bereid door complexe chemische reacties. Bovendien worden ze bereid met organische stoffen die schadelijk zijn voor het milieu en de mens. Daarom worden er onvermijdelijk extra kosten gemaakt voor hun behandeling en zijn de syntheseomstandigheden uitdagend. Daarom is een nieuwe methode voor de synthese van nanodeeltjes nodig die de tekortkomingen van de bestaande chemische synthese kan overwinnen om het waterstofenergieregime vast te stellen.

Het sputterproces dat door het KIST-onderzoeksteam wordt toegepast, is een technologie die tijdens het fabricageproces van halfgeleiders een dunne metaalfilm bedekt. In dit proces wordt plasma gebruikt om grote metalen tot nanodeeltjes te snijden, die vervolgens op een substraat worden afgezet om een ​​dunne film te vormen. Het onderzoeksteam bereidde nanodeeltjes voor met behulp van “glucose”, een speciaal substraat dat de transformatie van de metalen nanodeeltjes tot een dunne film verhinderde door tijdens het proces plasma te gebruiken. De synthesemethode maakte gebruik van het principe van fysieke dampafzetting met behulp van plasma in plaats van chemische reacties. Daarom kunnen metalen nanodeeltjes worden gesynthetiseerd met behulp van deze eenvoudige methode, waardoor de beperkingen van de bestaande chemische synthesemethoden worden overwonnen.

De ontwikkeling van nieuwe katalysatoren is belemmerd omdat de bestaande chemische synthesemethoden de soorten metalen die als nanodeeltjes konden worden gebruikt, beperkten. Bovendien moeten de synthesevoorwaarden worden gewijzigd afhankelijk van het type metaal. Het is echter mogelijk geworden om nanodeeltjes van meer diverse metalen te synthetiseren via de ontwikkelde synthesemethode. Als deze technologie tegelijkertijd op twee of meer metalen wordt toegepast, kunnen bovendien legeringsnanodeeltjes met verschillende samenstellingen worden gesynthetiseerd. Dit zou leiden tot de ontwikkeling van hoogwaardige katalysatoren voor nanodeeltjes op basis van legeringen van verschillende samenstellingen.

Het KIST-onderzoeksteam synthetiseerde een platina-kobalt-vanadiumlegering nanodeeltjeskatalysator met behulp van deze technologie en toegepast voor de zuurstofreductiereactie in waterstofbrandstofcelelektroden. Als resultaat was de katalysatoractiviteit zeven en drie keer hoger dan die van platina en platina-kobaltlegeringskatalysatoren die commercieel worden gebruikt als katalysatoren voor respectievelijk waterstofbrandstofcellen. Verder onderzochten de onderzoekers het effect van het nieuw toegevoegde vanadium op andere metalen in de nanodeeltjes. Ze ontdekten dat vanadium de prestaties van de katalysator verbeterde door de platina-zuurstofbindingsenergie te optimaliseren door middel van computersimulatie.

Dr. Sung Jong Yoo van KIST merkte op: “Door dit onderzoek hebben we een synthesemethode ontwikkeld op basis van een nieuw concept, die kan worden toegepast op onderzoek gericht op metalen nanodeeltjes voor de ontwikkeling van waterelektrolysesystemen, zonnecellen en petrochemicaliën.” Hij voegde eraan toe: “We zullen ernaar streven een volledige waterstofeconomie tot stand te brengen en koolstofneutrale technologie te ontwikkelen door gelegeerde nanodeeltjes met nieuwe structuren toe te passen, wat moeilijk te implementeren was, om [develop] milieuvriendelijke energietechnologieën, waaronder waterstofbrandstofcellen.”