نانوکاتالیزور کم پلاتین برای تجاری‌سازی پیل سوختی توسعه یافت

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، در مقاله‌ای که در مجله Science منتشر شده است، محققان توضیح می‌دهند که کاتالیزور‌های پیل سوختی معمولاً از آلیاژ‌های پلاتین ساخته می‌شوند که فلزات واسطه به صورت نازک روی پایه‌های کربن متخلخل پوشیده شده‌اند. این فلز گرانبها یک ماده کاتالیزوری ایده‌آل است، زیرا می‌تواند در برابر شرایط اسیدی مقاومت کند و سرعت واکنش‌های شیمیایی را به طور موثر افزایش دهد. اما از آنجایی که گران است و ذخایر منابع ناکافی دارد، استفاده از آن یکی از عواملی است که مانع تولید انبوه خودرو‌های مجهز به پیل سوختی می‌شود.

برای حل این موضوع، گروهی در دانشگاه علم و فناوری چین از روش لنگر گوگردی در دمای بالا برای سنتز کاتالیزور‌های نانوذرات بین فلزی پلاتین با اندازه کوچک (i-NP) با بارگذاری پلاتین بسیار کم و فعالیت جرمی بالا استفاده کردند. آزمایش آن‌ها نه‌تن‌ها موفقیت‌آمیز بود، بلکه به آن‌ها اجازه داد تا کتابخانه‌های i-NP، از جمله ۴۶ نوع نانوذرات پلاتین (NPs) را برای ساخت الکترود ارزان و بادوام ایجاد کنند.

I-NP‌ها به‌دلیل خواص منحصر به فرد مرتب شده اتمی و عملکرد کاتالیزوری عالی در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، تف جوشی اجتناب ناپذیر فلز در دما‌های بالا در طول سنتز i-NPs نامطلوب است، زیرا منجر به بلور‌های بزرگتر می‌شود. بنابراین، منجر به کاهش سطح ویژه و فعالیت‌های کاتالیزوری کمتر مواد می‌شود و در نهایت میزان استفاده از پلاتین را کاهش می‌دهد، بنابراین هزینه پیل‌های سوختی را به شدت افزایش می‌دهد.

تیم تحقیقاتی به رهبری لیانگ هایوی، از یک برهمکنش شیمیایی قوی پلاتین-گوگرد استفاده کردند. آن‌ها مواد بین فلزی پلاتین را روی پایه‌های کربن دوپ شده با گوگرد (S-C) قرار دادند تا مانع تف جوشی نانوذرات در دما‌های بالا شوند و با این کار توانستند i-NP‌های مرتب شده اتمی را با اندازه متوسط ​​کمتر از ۵ نانومتر بدست آورند. تکیه گاه‌های S-C توانایی ضد تف جوشی بسیار خوبی را نشان دادند و محققان نانوذرات پلاتین را با قطر متوسط ​​کمتر از ۵ نانومتر پس از بازپخت در دما‌های بالا تا ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد به دست آوردند. با این حال، تف جوشی شدید پلاتین پس از همان فرآیند بازپخت روی تکیه‌گاه‌های کربن سیاه تجاری مشاهده شد.

برای استفاده از خاصیت ضد تف جوشی، محققان ۴۶ نوع i-NP مبتنی بر Pt با اندازه کوچک را بر روی پشتیبانی از جنس S-C سنتز کردند و کتابخانه‌های i-NP را ایجاد کردند. خصوصیات طیفی اندازه‌گیری شد و نتایج برهمکنش‌های شیمیایی قوی پیوند‌های Pt-S را تأیید کرد. علاوه بر این، نتایج پراش اشعه ایکس (XRD) درجه مرتب شدن بالا و اندازه کوچک کاتالیزور‌های i-NP در کتابخانه‌ها را نشان داد، که با تجزیه و تحلیل آماری میکروسکوپ الکترونی روبشی میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا (HAADF-STEM) سازگار است.

لیانگ گفت: «بر اساس کتابخانه‌های i-NP، ما می‌توانیم به طور سیستماتیک رابطه بین ساختار و عملکرد کاتالیزور‌ها را مطالعه کنیم.»

از نظر آن‌ها، این روش امید‌ها را برای کاهش مقدار پلاتین مصرفی و در نتیجه کاهش هزینه پیل‌های سوختی افزایش می‌دهد.