Vědci z Washington University in St. Louis a dalších amerických pracovišť navrhli uhlíkovou nanostrukturu, která má zlepšit vlastnosti katalyzátorů pro palivové články. V článku zveřejněném v časopise Nature Nanotechnology popsali duté uhlíkové částice s radiálně uspořádanými nano kanálky. Do jejich pórů umístili nanočástice slitiny platiny a kobaltu. Konstrukce má pomoci spojit vlastnosti, které se u těchto materiálů obvykle obtížně kombinují: malé rozměry částic, pravidelné uspořádání atomů, vysoký obsah platiny a dobrou prostupnost vrstvy pro látky nutné k provozu článku.
Palivový článek vyrábí elektřinu elektrochemickou reakcí paliva a kyslíku, aniž by energii nejprve získával spalováním. U článků s protonvýměnnou membránou, označovaných zkratkou PEM, se na katodě odehrává redukce kyslíku. Jde o reakci, která podstatně ovlivňuje výkon celého zařízení a vyžaduje účinný katalyzátor. Často se používá platina, protože tuto reakci urychluje, jde však o vzácný a nákladný kov. Vývoj proto hledá materiály, které dosáhnou dobrého výkonu s co nejúčinnějším využitím platiny a současně vydrží dlouhé zatěžování.
Jednou z cest jsou nanočástice platiny ve slitině s dalším kovem, v tomto případě s kobaltem. Menší částice poskytují větší aktivní povrch vzhledem k množství použitého kovu. V provozu ale mohou rozpouštět, přesouvat se po uhlíkovém nosiči nebo splývat do větších částic. Tím se jejich aktivní povrch zmenšuje a vlastnosti katalyzátoru se zhoršují. Další problém představuje uspořádání atomů ve slitině: pro vznik vysoce uspořádané intermetalické fáze bývá potřeba vysoká teplota, která však může nežádoucí růst nanočástic urychlit.
Uspořádání i malé částice
Autoři proto vytvořili nosič označený RNCS, tedy radiální nanochannel-array carbon sphere. Je tvořen porézními dutými uhlíkovými koulemi s otevřenými kanálky směřujícími od středu k povrchu. Kanálky mají částice mechanicky omezovat v pohybu a zároveň zachovávat prostor pro přenos protonů, kyslíku a vody v elektrodě. Důležitou součástí elektrody je také ionomer, polymer propouštějící ionty; podle autorů otevřená struktura pomáhá jeho rovnoměrnému rozložení.
Katalyzátor se podařilo žíhat při teplotě vyšší než 1 000 °C. Žíhání je zahřívání materiálu, které zde sloužilo k vytvoření pravidelnější atomové struktury slitiny. Přesto zůstaly částice platiny a kobaltu menší než 5 nm. Podle abstraktu studie měla více než 80 procent částic požadovanou uspořádanou fázi L10-PtCo a celkový obsah platiny v katalyzátoru dosáhl 40 hmotnostních procent. Právě schopnost zachovat jemné rozptýlení částic i při takto vysoké teplotě autoři označují za hlavní přínos uhlíkového nosiče.
Materiál následně testovali v membránově-elektrodové sestavě, tedy v praktickém uspořádání elektrody a membrány používaném v palivových článcích. Za podmínek určených pro těžká vozidla dosáhl proudové hustoty 2,12 A·cm−2 při napětí 0,70 V. Proudová hustota vyjadřuje elektrický proud vztažený k ploše elektrody a patří k ukazatelům výkonu článku. Po zrychlené zátěžové zkoušce zahrnující 150 000 cyklů změn napětí si sestava uchovala 82,5 procenta výkonu. Univerzitní zpráva uvádí, že takový test by mohl odpovídat přibližně 25 000 hodinám provozu, jde ale o odhad vycházející ze zrychleného laboratorního postupu, nikoli o skutečně absolvovanou dobu provozu zařízení.
Od laboratorní elektrody k energetice
Výsledky ukazují vlastnosti konkrétního materiálu a elektrody v experimentálním palivovém článku. Neověřují samy o sobě, že by technologie již dokázala zásobovat elektřinou datové centrum nebo nahradit jeho připojení k síti. Takové použití by vyžadovalo například dostupnost vodíku, posouzení nákladů, bezpečnosti, životnosti celého systému i provozu ve větším měřítku. Výzkum se navíc soustředil na katodový katalyzátor, nikoli na všechny součásti energetického řešení.
Studie se nicméně vztahuje k překážce, která omezuje rozvoj nízkoteplotních palivových článků: nutnosti dosáhnout současně vysoké aktivity, odolnosti a efektivního využití platiny. Výzkumný tým vedl Gang Wu z McKelvey School of Engineering. Na práci se podíleli také odborníci z Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory, Northeastern University a University of Pittsburgh. Autoři uvádějí, že Gang Wu a Lei Gao podali prostřednictvím Washington University in St. Louis patentové přihlášky týkající se návrhu uhlíkových částic a podporovaných katalyzátorů PtCo.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.