Новому катализатору нужно в пять раз меньше платины

Опубликовано: 23.01.2020

Новый материал сократит использование дорогостоящей платины на 80 процентов.

Новый тип катализатора приведет к топливным элементам, которые будут использовать в пять раз меньше платины, чем сейчас. Новый материал, разработанный исследователями Хьюстонского университета, Берлинского технического университет в Германии, и Национальная ускорительная Лаборатория SLAC, Калифорния, состоит из наночастиц с ядрами, сделанными из медного-платинового сплава и внешней оболочки, которая состоит главным образом мз платины. Материал в пять раз более эффективен, чем обычная платина.

Платиновые и платиновые сплавы — самые эффективные катализаторы для ускорения химических реакций в водородных топливных элементах. Платина — единственный металл, который может противостоять кислой среде в таком элементе, но она очень дорогая, и это ограничивает широкое и крупномасштабное применение топливных элементов. Кроме того, приблизительно 90 процентов всей платины добывается в двух странах — Южной Африки и России.

Новый материал уже отвечает цели американского Министерства энергетики для платиновых катализаторов, намеченной на 2015 год: создание топливного элемента вырабатывающего 0.44 амперов электрического тока на миллиграмм платины. Уже сейчас топливный элемент производит до 0.49 ампер на миллиграмм платины, и исследователи полагают возможным увеличение каталитическую деятельность материала.

«Это — превосходная работа, которая должна позволить нам использовать меньше платины в топливных элементах,» говорит Жан Доделет, профессор Национального института научных исследований (INRS) в Квебеке.

На аноде обычной протонной обменной мембраны (PEM) топливного элемент, катализатор расщепляет водород на водородные ионы и электроны, последние которые удаляются из элемента и создают ток. На катоде, молекулы кислорода объединяются с электронами и ионами водорода с образованием воды. Эту реакцию ускоряет в 10 раз присутствие платины на аноде .

Питер Страссер, профессор химической технологии Хьюстонского университета Хьюстона и Берлинского технического университета, начал изучать новый тип катализатора в 2005, нанося наночастицы медного-платинового сплава на углеродную основу. Когда переменный ток проходит через материал материалу, медь выделяется из поверхностной области, образуя на наночастице внешний слой,обогащенный платиной.

В недавнем статье в журнале «Химия Природы», исследователи показывают механизм, который делает этот катализатор более активным, чем обычная платина. Изучая, как ренгеновские лучи рассеиваются на новом катализатором, они обнаружили, что расстояние между атомами платины, которые остаются на поверхности наночастиц, меньше чем расстояние в чистой платине. Хороший катализатор должен быть в состоянии разделить молекулы кислорода на атомы, но не должен связаться слишком легко со свободными атомами; более короткое расстояние между атомами в новом материале делает его более эффективным катализатором, потому что он более слабо связывается с атомами кислорода.

Есть альтернативы использованию платины как катализатор. Доделет и его группа работали с Дженерал Моторс, чтобы разработать перспективный катализатор на основе железа, над которым они сейчас работают, чтобы коммерциализировать. Тем временем, дешевые углеродные нанотрубные катализаторы и никелевые катализаторы находится в работе для щелочной химии топливного элемента.

Катализаторы без платины имеют преимущества, кроме их низкой цены, говорит Лиминг Дэй, профессор в Университете Дэйтона (штат Огайо), исследующий углеродные нанотрубные катализаторы. Платина наночастиц имеет тенденцию терять каталитическую эффективность, соединяясь в большие частицы при длительной работе или когда угарный газ задерживается на их поверхности. Углеродные нанотрубки являются более перспективными, Дэй говорит.

«Это — интересная работа и важная, потому что механизм может быть применен к другим катализаторам,» говорит Дэй о новом платиновом катализаторе. «Было бы интересно проверить долгосрочную стабильность на угарный газ, отравляющего вещества для этого вида катализатора.»

Страссер соглашается, что новый катализатор нуждается в дальнейших испытаниях. Однако, больший размер частиц основных частиц сделает их свойства существенно более устойчивыми, чем чистая платина, говорит он.»Мы уверены, что альтернативные неплатиновые металлы в ядре, такие как кобальт или никель, решат проблему стабильности» говорит Страссер.