Нано

Feb 01, 2024

15 декабря 2022 г.

по Партикуологии

Драгоценный металл платина является ключевым катализатором химических реакций, лежащих в основе следующего поколения более компактных и высокопроизводительных водородных топливных элементов. Но высокая стоимость платины препятствует широкому внедрению этой технологии.

Однако исследователи разработали наноразмерный сплав платины и кобальта, который можно использовать в качестве катализатора, что резко снижает количество платины, необходимое для достижения таких же или даже лучших характеристик.

Описание этого нового платино-кобальтового электрокатализатора и технологии его производства было опубликовано в журнале Particuology 15 декабря.

Водородные топливные элементы потребуются при переходе к экологически чистой технологии для тех частей экономики, в частности тяжелого транспорта, которые трудно электрифицировать с помощью аккумуляторных технологий. К сожалению, наиболее часто используемый топливный элемент, щелочной топливный элемент, остается довольно громоздким, что ограничивает его применение в таких секторах, как судоходство и авиация, где пространство ограничено.

Топливные элементы следующего поколения, топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC, иногда называемые топливными элементами с мембраной из полимерного электролита), гораздо более компактны.

К сожалению, основным катализатором — веществом, которое помогает ускорить химические реакции — используемым в ключевой реакции, связанной с PEMFCS (реакцией восстановления кислорода или ORR), является редкий и, следовательно, дорогой металл платина. Высокая стоимость платины уже является одним из самых больших препятствий на пути более широкого внедрения PEMFC. По данным Министерства энергетики США, катализаторы из металлов платиновой группы в топливных элементах в настоящее время составляют более 40% их стоимости. Действительно, половина всей добычи платины в мире используется автомобильной промышленностью.

«Это означает, что даже несмотря на то, что высокая стоимость платины ограничивает внедрение топливных элементов в транспортных средствах, если произойдет более широкое внедрение, это только усугубит проблему, поскольку на этот редкий металл будет еще больший спрос и, следовательно, более высокие цены. ", - сказал Чжунхуа Сян, автор статьи и электрохимик Пекинского химико-технологического университета.

Таким образом, любой путь к более широкому внедрению технологии топливных элементов обязательно предполагает некоторое снижение количества требуемой платины либо путем замены ее на какой-либо другой каталитический материал, либо путем уменьшения количества необходимой платины без ущерба для производительности.

Большое количество исследований было сосредоточено на последнем подходе. Исследователи сосредоточили особое внимание на легировании платины кобальтом, фактически разбавляя количество платины, необходимое для достижения того же результата. Причина этого в том, что различные платино-кобальтовые сплавы имеют более высокую «активную площадь поверхности» — пространства на молекулах катализатора, где могут происходить соответствующие химические реакции.

Однако точная настройка степени легирования для достижения оптимальных показателей ORR остается серьезной проблемой.

Поэтому профессор Сян синтезировал предшественник платины, кобальта и углерода (соединение, которое приводит к образованию второго соединения, в данном случае сплава платины и кобальта), используя диметиламинборан (ДМАБ) в качестве восстановителя (вещества, которое отдает электроны другому веществу). один в химической реакции). Этот прекурсор был нагрет до высокой температуры в среде водорода и аргона, чтобы получить платиново-кобальтовый сплав, включающий три атома платины на каждый атом кобальта в виде наноразмерных частиц.

Структура электронов в этом конкретном платиново-кобальтовом сплаве обеспечивает высокую активность на поверхности мембраны электродов топливного элемента. В результате характеристики топливного элемента улучшаются и достигается высокая стабильность топливного элемента. Последнее преимущество было продемонстрировано лишь незначительным ухудшением характеристик после 10 000 циклов топливного элемента. Дальнейшие испытания отдельных топливных элементов показали, что их подход значительно превосходит требования стандартов Министерства энергетики США.