Nano

Feb 01, 2024

15. Dezember 2022

von Particuology

Das Edelmetall Platin ist ein wichtiger Katalysator für die chemischen Reaktionen im Herzen der nächsten Generation kompakterer, leistungsstarker Wasserstoff-Brennstoffzellen. Doch die hohen Kosten von Platin verhindern eine weitverbreitete Einführung dieser Technologie.

Forscher haben jedoch eine nanoskalige Legierung aus Platin und Kobalt als Katalysator entwickelt, wodurch die Menge an Platin, die zum Erreichen der gleichen – oder sogar besseren – Leistung erforderlich ist, deutlich reduziert wird.

Eine Beschreibung dieses neuartigen Platin-Kobalt-Elektrokatalysators und der zu seiner Herstellung verwendeten Technik wurde am 15. Dezember in der Zeitschrift Particuology veröffentlicht.

Wasserstoff-Brennstoffzellen werden im Rahmen des sauberen Übergangs für diejenigen Teile der Wirtschaft benötigt, insbesondere für den Schwertransport, die mit Batterietechnologie nur schwer zu elektrifizieren sind. Leider ist die am häufigsten verwendete Brennstoffzelle, die alkalische Brennstoffzelle, immer noch recht sperrig, was ihre Anwendung in Bereichen wie der Schifffahrt und der Luftfahrt einschränkt, in denen der Platz knapp ist.

Die nächste Generation von Brennstoffzellen, die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs – manchmal auch Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen genannt), sind weitaus kompakter.

Leider ist der Hauptkatalysator – Substanzen, die dabei helfen, chemische Reaktionen zu beschleunigen –, der in einer Schlüsselreaktion der PEMFCS (der Sauerstoffreduktionsreaktion oder ORR) verwendet wird, das seltene und daher teure Metall Platin. Die hohen Kosten für Platin sind bereits eines der größten Hindernisse für eine breitere Einführung von PEMFC. Nach Angaben des US-Energieministeriums machen Platingruppenmetallkatalysatoren in Brennstoffzellen derzeit mehr als 40 % ihrer Kosten aus. Tatsächlich wird die Hälfte der weltweiten Platinproduktion von der Automobilindustrie verwendet.

„Das bedeutet, dass, auch wenn die hohen Kosten von Platin den Einsatz von Brennstoffzellen in Fahrzeugen einschränken, eine breitere Einführung das Problem nur verschärfen würde, da die Nachfrage und damit die Preise für dieses seltene Metall noch größer wären.“ ", sagte Zhonghua Xiang, der Autor des Papiers und Elektrochemiker an der Beijing University of Chemical Technology.

Jeder Weg zu einer breiteren Einführung der Brennstoffzellentechnologie erfordert daher zwangsläufig eine gewisse Reduzierung der benötigten Platinmenge, entweder durch den Austausch gegen ein anderes Katalysatormaterial oder durch eine Reduzierung der benötigten Platinmenge, ohne Kompromisse bei der Leistung einzugehen.

Ein großer Teil der Forschung hat sich auf den letztgenannten Ansatz konzentriert. Die Forscher haben sich insbesondere darauf konzentriert, Platin mit Kobalt zu legieren und so die Menge an Platin zu verdünnen, die zum Erreichen des gleichen Ergebnisses erforderlich ist. Der Grund dafür ist, dass verschiedene Platin-Kobalt-Legierungen eine größere „aktive Oberfläche“ haben – die Räume auf den Molekülen des Katalysators, in denen die relevanten chemischen Reaktionen stattfinden können.

Die Feinabstimmung des Legierungsgrads zur Erzielung einer optimalen ORR-Leistung ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung.

Also synthetisierte Professor Xiang einen Platin-Kobalt-Kohlenstoff-Vorläufer (die Verbindung, die eine zweite Verbindung erzeugt, in diesem Fall die Platin-Kobalt-Legierung), indem er Dimethylaminboran (DMAB) als Reduktionsmittel verwendete (eine Substanz, die Elektronen an eine andere abgibt). einer in einer chemischen Reaktion). Dieser Vorläufer wurde in einer Umgebung aus Wasserstoff und Argongas auf eine hohe Temperatur erhitzt, um eine Platin-Kobalt-Legierung mit drei Platinatomen zu jedem Kobaltatom in Form von nanoskaligen Partikeln herzustellen.

Die Struktur der Elektronen in dieser speziellen Platin-Kobalt-Legierung ermöglicht eine hohe Aktivität auf der Membranoberfläche der Elektroden in der Brennstoffzelle. Dadurch wird die Leistung der Brennstoffzelle gesteigert und eine hohe Stabilität der Brennstoffzelle erreicht. Dieser letztgenannte Vorteil zeigte sich in einer nur geringfügigen Verschlechterung der Leistung nach 10.000 Zyklen der Brennstoffzelle. Weitere Tests mit einzelnen Brennstoffzellen zeigten, dass ihr Ansatz die Anforderungen der Standards des US-Energieministeriums deutlich übertraf.

Nachdem Prof. Xiang gezeigt hat, dass die Menge an Platin, die zur Erzielung einer überlegenen PEMFC-Leistung erforderlich ist, reduziert werden konnte, möchte er nun prüfen, ob er den auf Platin basierenden Katalysator vollständig ersetzen kann, indem er unedle Metalle als Katalysator verwendet, und dabei wiederum die Leistung beibehält oder verbessert Langzeitstabilität.

Mehr Informationen: Sekundäre Reduktionsstrategiesynthese von Pt-Co-Nanopartikelkatalysatoren zur Steigerung der Aktivität von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, Particuology (2022). DOI: 10.1016/j.partic.2022.11.010