Исследование раскрывает путь роста наночастиц, который может привести к появлению более эффективных водородных топливных элементов

27 декабря 2018 года

Хотя было показано, что водородные топливные элементы являются потенциальной технологией для получения чистой возобновляемой энергии, активность и стоимость их катодных материалов представляют значительную проблему для коммерциализации.

Ученые из лаборатории Брукхейвена Минюань Ге, Ирадвиканари Валуйо и Адриан Хант, на которых изображены слева, где IOS справа, где изображены слева на IOS, справа на рис. они изучили путь роста эффективного катализатора для водородных топливных элементов. (Изображение предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория)

Для большинства топливных элементов требуются дорогостоящие катализаторы на основе платины, которые являются веществами, запускающими и ускоряющими химические реакции. Эти катализаторы помогают преобразовывать возобновляемое топливо в электрическую энергию. Поэтому, чтобы сделать водородные топливные элементы коммерчески осуществимыми, исследователи ищут более дешевые катализаторы, которые могут предложить такой же уровень эффективности, как и у чистой платины.

« Подобно батарее, водородные топливные элементы преобразуют накопленную химическую энергию в электричество. Разница в том, что вы используете пополняемое топливо, поэтому, в принципе, «батарея» будет работать вечно », – заявил Адриан Хант, ученый из Национального источника синхротронного света II (NSLS-II), департамент США. Министерства энергетики США (DOE) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. « Поиск дешевого и эффективного катализатора для водородных топливных элементов является, по сути, святым Граалем для того, чтобы сделать эту технологию более реальной ».

Участвуя в этом глобальном поиске катодных материалов для топливных элементов, ученые из Акронского университета разработали новый подход к получению катализаторов из смеси металлов, таких как никель и платина, которые образуют наночастицы восьмигранной или октаэдрической формы. Хотя этот катализатор был определен как один из наиболее эффективных заменителей чистой платины, исследователи до конца не выяснили, почему он растет в форме октаэдра. Следовательно, чтобы лучше понять процесс роста, исследователи из Университета Акрона объединились с многочисленными учреждениями, в том числе с Брукхейвеном и его NSLS-II.

Понимание того, как образуется граненый катализатор, играет ключевую роль в установлении его соотношения структура-свойство и разработке лучшего катализатора. Пример процесса роста для системы платина-никель достаточно сложен, поэтому мы сотрудничали с несколькими опытными группами для решения проблем. Передовые методы в Брукхейвенской национальной лаборатории оказали большую помощь в изучении этой темы исследования .

Женменг Пенг, главный исследователь, Лаборатория катализа, Университет Акрона.

Исследователи использовали ультра-яркие рентгеновские лучи на NSLS-II, а также сложные возможности NSL-II In situ и лучевой линии Operando Soft X-Ray Spectroscopy (IOS) и успешно выставили Химическая характеристика пути роста катализатора в реальном времени. Результаты исследования были опубликованы в Nature Communications .

« Мы использовали метод исследования, называемый рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией при атмосферном давлении (AP-XPS), для изучения состава поверхности и химического состояния металлов в наночастицах во время реакции роста », – заявил Ирадвиканари Валуйо, соавтор научной работы и ведущий научный сотрудник IOS. « В этом методе мы направляем рентгеновское излучение на образец, что приводит к высвобождению электронов. Анализируя энергию этих электронов, мы можем различать химические элементы в образце, а также их химические и окислительные состояния . »

Хант, который также является автором газеты, добавил, что « Это похоже на то, как солнечный свет взаимодействует с нашей одеждой. Солнечный свет примерно желтый, но как только он попадает на рубашку человека, вы можете определить, является ли рубашка синей, красной или зеленой ».

Вместо цветов исследователи открывали химическую информацию о поверхности катализатора и сравнивали ее с внутренней частью. Они обнаружили, что во время реакции роста сначала образуется металлическая платина, которая оказывается центром наночастиц, а затем, когда реакция достигает несколько более высокой температуры, платина помогает в образовании металлического никеля, который впоследствии отделяется от поверхности наночастиц. На последних стадиях роста поверхность становится практически эквивалентной смесью двух металлов, то есть никеля и платины. Этот захватывающий синергетический эффект между никелем и платиной играет ключевую роль в развитии октаэдрической формы наночастицы, а также ее реакционной способности.

« Хорошая вещь в этих выводах заключается в том, что никель – дешевый материал, а платина – дорогая », – заявил Хант. « Итак, если никель на поверхности наночастиц катализирует реакцию, и эти наночастицы сами по себе еще более активны, чем платина, то, надеюсь, с помощью дополнительных исследований мы сможем определить минимальное количество платины для добавления». и все еще получают высокую активность, создавая более рентабельный катализатор . »

Результаты исследования основывались на изощренных возможностях IOS, где ученые могли проводить эксперименты при давлениях газа, превышающих то, что обычно выполнимо в традиционных экспериментах XPS.

« В IOS мы могли следить за изменениями состава и химического состояния наночастиц в реальном времени в реальных условиях роста », – заявил Валуйо.

Работа в NSLS-II была дополнена дополнительными исследованиями рентгеновской и электронной визуализации, которые были выполнены на Усовершенствованном источнике фотонов (APS) в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США – еще одном учреждении пользователя Управления науки Министерства энергетики США – и Калифорнийском университете -Ирвин, соответственно.

« Эта фундаментальная работа подчеркивает значительную роль сегрегированного никеля в формировании катализатора в форме октаэдра. Мы добились большего понимания контроля формы наночастиц катализатора », – заявил Пэн. « Наш следующий шаг – изучение каталитических свойств граненых наночастиц, чтобы понять корреляцию структура-свойство ».

Национальный научный фонд и программа исследований и разработок в Брукхейвенской лаборатории поддержали исследование. Операции в APS и NSLS-II поддерживаются Управлением науки Министерства энергетики.

Source link