Platin-Graphen-Brennstoffzellenkatalysatoren zeigen eine überlegene Stabilität gegenüber Platin in großen Mengen
Schichten aus Platin, die nur zwei Atome dick sind und von Graphen getragen werden, könnten Brennstoffzellenkatalysatoren mit beispielloser katalytischer Aktivität und Langlebigkeit ermöglichen, so eine kürzlich von Forschern des Georgia Institute of Technology veröffentlichte Studie.
Diese Grafik zeigt, wie die Graphenschicht in Grau den beiden obigen, blau dargestellten Atomschichten aus Platin Struktur und Stabilität verleiht.
Ji Il Choi
Platin ist einer der am häufigsten verwendeten Katalysatoren für Brennstoffzellen, da es die Oxidationsreduktion im Zentrum der Technologie ermöglicht. Aber die hohen Kosten haben die Forschungsanstrengungen angeregt, Wege zu finden, kleinere Mengen davon bei gleicher katalytischer Aktivität zu nutzen.
"Es wird immer Anfangskosten für die Herstellung einer Brennstoffzelle mit Platinkatalysatoren geben, und es ist wichtig, diese Kosten so niedrig wie möglich zu halten", sagte Faisal Alamgir, ein außerordentlicher Professor an der Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering. "Aber die tatsächlichen Kosten eines Brennstoffzellensystems werden danach berechnet, wie lange dieses System hält, und das ist eine Frage der Haltbarkeit.
"In letzter Zeit gab es einen Vorstoß, katalytische Systeme ohne Platin zu verwenden, aber das Problem ist, dass bisher kein System vorgeschlagen wurde, das gleichzeitig die katalytische Aktivität und die Haltbarkeit von Platin erreicht", sagte Alamgir.
Die Georgia Tech Forscher versuchten eine andere Strategie. In der Studie, die am 18. September in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde und von der National Science Foundation unterstützt wurde, beschreiben sie die Schaffung mehrerer Systeme, die atomar dünne Platinschichten mit einer Graphenschicht verwendeten - eine effektive Maximierung der Gesamtoberfläche des für katalytische Reaktionen verfügbaren Platins und die Verwendung einer viel kleineren Menge des Edelmetalls.
Die meisten Katalysatorsysteme auf Platinbasis verwenden Nanopartikel des Metalls, die chemisch an eine Trägeroberfläche gebunden sind, wobei die Oberflächenatome der Partikel den größten Teil der katalytischen Arbeit leisten und das katalytische Potenzial der Atome unter der Oberfläche nie oder gar nicht so vollständig genutzt wird wie die Oberflächenatome.
Darüber hinaus zeigten die Forscher, dass die neuen Platinschichten, die mindestens zwei Atome dick sind, das Nanopartikelplatin in der Dissoziationsenergie übertroffen haben, was ein Maß für die Energiekosten der Dislozierung eines Oberflächen-Platinatoms ist. Diese Messung deutet darauf hin, dass diese Schichten potenziell länger anhaltende Katalysatorsysteme bilden könnten.
Um die atomdünnen Schichten herzustellen, verwendeten die Forscher ein Verfahren namens elektrochemische Atomschichtabscheidung, um Platinmonoschichten auf einer Graphenschicht zu züchten und Proben mit einer, zwei oder drei Atomschichten zu erzeugen. Die Forscher testeten dann die Proben auf Dissoziationsenergie und verglichen die Ergebnisse mit der Energie eines einzelnen Platinatoms auf Graphen sowie der Energie aus einer gemeinsamen Konfiguration von Platin-Nanopartikeln in Katalysatoren.
"Die grundlegende Frage im Mittelpunkt dieser Arbeit war, ob es möglich war, dass eine Kombination aus metallischer und kovalenter Bindung die Platinatome in einer Platin-Graphen-Kombination stabiler machen kann als ihre Gegenstücke in Katalysatoren mit größeren Mengen an Platin, die üblicherweise in Katalysatoren verwendet werden, die durch metallische Bindung unterstützt werden", sagte Seung Soon Jang, ein außerordentlicher Professor an der School of Materials Science and Engineering.
Die Forscher fanden heraus, dass die Bindung zwischen benachbarten Platinatomen im Film im Wesentlichen Kräfte mit der Bindung zwischen dem Film und der Graphenschicht kombiniert, um eine Verstärkung im gesamten System zu erreichen. Das galt besonders für den Platinfilm, der zwei Atome dick war.
"Typische metallische Schichten unter einer bestimmten Dicke sind nicht stabil, weil die Bindungen zwischen ihnen nicht gerichtet sind, und sie neigen dazu, sich übereinander zu rollen und sich zu einem Partikel zu verbinden", sagte Alamgir. "Aber das stimmt nicht mit Graphen, das zweidimensional stabil ist, sogar ein Atom dick, weil es sehr starke kovalente Richtungsbindungen zwischen seinen benachbarten Atomen hat. Dieses neue Katalysatorsystem könnte also die gerichtete Bindung des Graphens nutzen, um einen atomar dünnen Film aus Platin zu unterstützen."
Zukünftige Forschungsarbeiten werden weitere Tests des Verhaltens der Schichten in einer katalytischen Umgebung beinhalten. Die Forscher fanden in früheren Forschungen zu Graphen-Platin-Schichten heraus, dass sich das Material bei katalytischen Reaktionen ähnlich verhält, unabhängig davon, welche Seite - Graphen oder Platin - die belichtete aktive Oberfläche ist.
"In dieser Konfiguration wirkt das Graphen nicht als separate Einheit vom Platin", sagte Alamgir. "Sie arbeiten zusammen als eine Einheit. Wir glauben also, dass, wenn man die Graphenseite freilegt, man die gleiche katalytische Aktivität erhält und das Platin weiter schützen kann, was die Haltbarkeit weiter erhöhen könnte."
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