Polttokennojen esteiden murtaminen

Sungkyunkwanin yliopiston professori Sang Uck Leen johtama tutkimusryhmä on kehittänyt muiden korealaisinstituuttien tutkijoiden kanssa seuraavan sukupolven platinapohjaisen katalyytin, joka parantaa sekä vetypolttokennojen aktiivisuutta että kestävyyttä.

Perinteiset platinapohjaiset metallien väliset katalyytit tunnetaan rakenteellisesta stabiilisuudestaan, mutta niiden atomikoostumuksen ja -järjestelyn tarkka säätäminen on vaikeaa. Tämä on rajoittanut pyrkimyksiä optimoida niiden elektronirakennetta ja tehnyt haastavaksi sekä korkean katalyyttisen aktiivisuuden että pitkäaikaisen kestävyyden saavuttamisen vaativissa käyttöolosuhteissa, kuten vetykäyttöisissä ajoneuvoissa.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tutkimusryhmä kehitti uuden katalyytin suunnittelustrategian, joka mahdollistaa atomien koostumuksen ja elektronirakenteen tarkemman hallinnan samalla, kun platinapohjaisten metallien välisten katalyyttien rakenteellinen stabiilius säilyy.

Tällä menetelmällä he suunnittelivat platinasta (Pt), koboltista (Co) ja mangaanista (Mn) valmistetun kolmiosaisen metallien välisen nanokatalyytin. Hyödyntämällä katalyytin ja oksidialustan rajapinnalle muodostuneita happivakansseja tiimi pystyi ohjaamaan atomien järjestystä katalyytin sisällä ja kehittämään onnistuneesti kolmiosaisen platinapohjaisen metallien välisen rakenteen, jota oli aiemmin ollut vaikea saavuttaa.

Tutkimuksen keskeinen osa oli uuden teoreettisen lähestymistavan käyttö rajapinnan synteesimekanismin paljastamiseksi lähtöainevaiheessa, jota on vaikea havaita suoraan kokeissa. Tiimi osoitti, että rajapinnan alkuvaiheessa muodostuvilla happivakansseilla on ratkaiseva rooli mangaaniatomien järjestymisessä, mikä tarjoaa teoreettisen selityksen kolmiosaisen metallien välisen rakenteen muodostumiselle.

Uusi katalyytti tarjosi sekä korkean ORR-aktiivisuuden että erinomaisen kestävyyden optimoidun elektronirakenteensa ansiosta. Sähkökemiallisissa testeissä sen massa-aktiivisuus oli yli kymmenen kertaa suurempi kuin kaupallisilla Pt/C-katalyyteillä ja se säilytti yli 96 % alkuperäisestä suorituskyvystään 150 000 kiihdytetyn kestävyystestaussyklin jälkeen.

Kalvoelektrodin kokoonpanotesteissä (MEA) katalyytti ylitti Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) vuodelle 2025 asettamat suorituskykytavoitteet. Se myös säilytti korkeamman tehontuoton kuin perinteiset katalyytit suurilla kuormituksilla, mikä korostaa sen käyttöpotentiaalia vetykäyttöisissä sähköajoneuvoissa ja kiinteissä polttokennojärjestelmissä.

Aiheesta aiemmin:

Kädessä pidettävä polttokennoreaktori

Huoneenlämmössä syntetisoitu tehokas polttokennokatalyytti

Polttokenno vakauttaa sähköverkkoa tuottamalla ja varastoimalla energiaa