Hiilimonoksidi tulee polttokennokatalyyttien siunaukseksi

Korean energiantutkimuslaitoksen (KIER) vetypolttokennolaboratoriosta tutkijat ovat kehittäneet teknologian, joka käyttää ihmisille tyypillisesti haitallista hiilimonoksidia 0,3 nanometrin paksuisten metalliohutkalvojen tarkkaan hallintaan.

Tämä teknologia mahdollistaa ydin-kuorikatalyyttien nopeamman ja yksinkertaisemman tuotannon, mikä on avaintekijä polttokennojen taloudellisen kannattavuuden parantamisessa, ja sen odotetaan vauhdittavan merkittävästi asiaan liittyviä teollisuudenaloja.

Ydin-kuorikatalyytit koostuvat tyypillisesti eri metallin ytimestä ja kuori platinasta, joka edistää polttokennoissa tapahtuvia reaktioita (ORR). Tämä rakenne mahdollistaa korkean suorituskyvyn ylläpitämisen vähäisellä platinan määrällä.

Kuitenkin ytimen pinnalle on levitettävä tarkasti atomipaksuinen kuori. Tämä on aikaansaatu Cu-UPD menetelmällä, jossa ytimelle kerrostetaan ensin ohut kerros edullista kuparia, minkä jälkeen se korvataan platinalla. Tämä on kuitenkin monimutkainen ja aikaa vievä tekniikka.

Ratkaisuna tähän tiimi kehitti CO-adsorptio-indusoidun laskeuman (CO AID), menetelmän, joka hyödyntää hiilimonoksidin redox-käyttäytymistä. Se mahdollistaa tarkan metallin pinnoituksen ilman lisävaiheita tai pelkistimiä ja lyhentää käsittelyaikaa kymmenesosaan perinteisiin menetelmiin verrattuna.

Tutkijat kiinnittivät huomionsa hiilimonoksidin voimakkaaseen sitoutumiseen metallipintoihin. CO tarttuu helposti metalleihin, ja hengitettynä se sitoutuu voimakkaasti veren rautaioneihin, estäen hapen kuljetuksen ja aiheuttaen vakavia terveysriskejä.

Tämän havainnon perusteella tutkimusryhmä mahdollisti hiilimonoksidin adsorboitumisen ydinmetallin pintaan yhtenä molekyylikerroksena. Platinaa pelkistettiin sitten selektiivisesti tälle kerrokselle, minkä ansiosta tutkijat pystyivät hallitsemaan tarkasti kuoren noin 0,3 nanometrin paksuudelle.

Käyttämällä uutta menetelmää tiimi valmisti ydin-kuorikatalyyttejä päällystämällä platinaa metalleille, kuten palladiumille, kullalle ja iridiumille. Merkillepantavaa oli, että palladiumpohjaisella platina-kuorikatalyytillä oli noin kaksinkertainen ORR-aktiivisuus ja 1,5 kertaa pidempi kestävyys kuin kaupallisesti saatavilla olevilla platina-hiili (Pt/C) -katalyyteillä.

Johtava tutkija, tohtori Gu-Gon Park, selitti: ”Tämä työ sai alkunsa ajatuksesta muuntaa hiilimonoksidin myrkyllisyys työkaluksi nanomittakaavan ohutkalvojen hallintaan. Mahdollistamalla materiaalien tarkan suunnittelun atomitasolla ja lyhentämällä prosessointiaikaa merkittävästi, teknologia tarjoaa uuden synteesiparadigman, jolla on erinomaiset kaupallistamismahdollisuudet.”

Tutkimusryhmän jäsen, tohtori Yongmin Kwon, totesi: ”Mahdollisuus manipuloida metallinanopartikkelien pintoja atomikerrostasolla käyttämällä jotain niin yksinkertaista kuin hiilimonoksidia tarkoittaa, että tällä teknologialla voi olla kauaskantoisia vaikutuksia – ei vain polttokennokatalyyttien tuotannossa, vaan myös nanopartikkelien valmistuksen edistämisessä esimerkiksi puolijohteiden ja ohutkalvomateriaalien aloilla.”

Aiheesta aiemmin:

Vetytoiminen protoakku

Tehokas vedyn katalysaattori ja biohybridin kemiaa

Kirkasta tulevaisuutta ledeille