Частицы золота улучшают химические реакции в топливных ячейках

До недавнего момента продвижение технологии топливных ячеек затруднялось несоответствием металлов, используемых в качестве катализаторов, существующим условиям. Основным недостатком платины (помимо ее стоимости) является то, что она поглощает окись углерода в реакциях, протекающих в топливных ячейках с использованием органических материалов – например, муравьиной кислоты. Палладий, изучение свойств которого началось сравнительно недавно, распадается со временем.

Недавно химики Брауновского университета (США) создали трехкомпонентную наночастицу металла, которая, по их словам, превосходит по своим характеристикам и долговечности уже существующие образцы и может использоваться для осуществления реакций в топливных элементах с применением муравьиной кислоты. В работе, опубликованной в научном издании «Журнал Американского химического общества», авторы описывают железо-платино-золотую наночастицу (FePtAu) размером 4 нанометра, которая обладает четырехгранной кристаллической структурой и создает более сильный ток на единицу массы, чем любой другой, уже испытанный катализатор. 

Кроме того, производительность трехэлементной наночастицы, разработанной учеными Брауновского университета, практически не снижается даже после 13 часов работы. Для сравнения: наночастицы с другим составом, испытанные в аналогичных условиях, теряли почти 90% своей эффективности уже после 3 часов использования.

«Мы разработали лучший на данный момент катализатор для топливных элементов на муравьиной кислоте, - заявляет Шуенг Сун, профессор химии в Брауновском университете и один из авторов исследования. – Он обладает хорошим запасом долговечности и высокой производительностью».

В данном случае ключевую роль в протекании химической реакции играет золото. В первую очередь, оно выполняет функцию упорядочивания, структурируя атомы железа и платины в аккуратные, единообразные слои. На следующем этапе золото соединяется с наружной поверхностью наночастицы. Это металл эффективно упорядочивает атомы железа, создавая дополнительное пространство внутри частицы на начальном этапе.

При нагревании атом золота освобождает место для железа и платины, которые соединяются вместе. Золото обеспечивает кристаллизацию, которой пытались достичь ученые, при более низких температурах. 

Помимо этого, золото удаляет окись углерода из реакции, катализируя ее оксидирование. Оксид углерода не только опасен при вдыхании – он легко связывается с элементами железа и платины, препятствуя эффективному протеканию реакции. Освобождая реакцию от окиси углерода, золото повышает производительность железо-платинового катализатора.

Ученые решили использовать золото после того, как прочитали, что наночастицы золота успешно оксидируют окись углерода – настолько, что его использовали при создании шлемов для японских пожарников. Разработанные Брауновскими исследователями трехкомпонентные наночастицы также оказались весьма эффективными в удалении окиси углерода при оксидировании муравьиной кислоты, однако причины этого до сих пор не объяснены окончательно.

Авторы исследования также подчеркивают необходимость создания упорядоченной кристаллической структуры наночастицы катализатора. Золото позволяет ученым создать кристаллическую структуру под названием «гранецентрированная-четырехугольная», в которой атомы железа и платины вынуждены занимать определенные места.

Организуясь в атомарный порядок, слои железа и платины более плотно связываются в структуре наночастицы, делая ее более стабильной и устойчивой, что является залогом создания более производительных и долговечных катализаторов.

В проведенных экспериментах трехкомпонентный катализатор достигал 2809,9 микроампер на миллиграмм платины, что «является самым высоким показателем на данный момент», утверждают авторы работы. Через 13 часов массовая активность новой наночастицы составляет 2600 мА/мг платины, что равняется 93% от начального уровня производительности.

Для сравнения: популярная платиново-висмутовая наночастица обладает массовой активностью около 1720 мА/мг платины при аналогичных условиях и в 4 раза менее долговечна.

Исследователи подчеркивают, что другие металлы в наночастицах катализатора также могут быть заменены на золото, что приведет к улучшению производительности и повышению долговечности.

«Технология по «программированию» структуры может поспособствовать оптимизации процесса катализа наночастиц при оксидировании топлива», - пишут ученые в опубликованной статье.

Сен Чжан,  практикант из лаборатории профессора Суна,  помогал с конструированием и синтезом наночастиц. Аспирант Шаоюн Гуо проводил исследования по электрохимическому оксидированию.  Хуэйюань Чжу синтезировал наночастицы железа и платины и ставил контрольные эксперименты. Одним из соавторов работы стал Донг Су из Центра функциональных наноматериалов при Брукхейвенской национальной лаборатории, который проводил анализ структуры наночастиц катализатора, используя передовые технологии электронной микроскопии.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.nanodaily.com/reports/Touch_of_gold_improves_nanoparticle_fuel_cell_reactions_999.html