Các nhà hóa học tại Đại học Brown đã tạo ra một hạt nano kim loại ba đầu, hoạt động tốt hơn và tồn tại lâu hơn bất kỳ chất xúc tác hạt nano nào khác được nghiên cứu trong các phản ứng tế bào nhiên liệu. Chìa khóa là sự bổ sung của vàng: Nó mang lại cấu trúc tinh thể đồng đều hơn trong khi loại bỏ carbon monoxide khỏi phản ứng. Kết quả được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
CUNG CẤP, R.I - Những tiến bộ trong công nghệ pin nhiên liệu đã bị cản trở bởi sự bất cập của kim loại được nghiên cứu làm chất xúc tác. Hạn chế của bạch kim, ngoài chi phí, là nó hấp thụ carbon monoxide trong các phản ứng liên quan đến pin nhiên liệu được cung cấp bởi các vật liệu hữu cơ như axit formic. Một kim loại được thử nghiệm gần đây, paladi, bị phá vỡ theo thời gian.
Bây giờ các nhà hóa học tại Đại học Brown đã tạo ra một hạt nano kim loại ba đầu mà họ nói vượt trội hơn và vượt xa tất cả những người khác ở đầu cực dương trong các phản ứng tế bào nhiên liệu axit formic. Trong một bài báo đăng trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu đã báo cáo một hạt nano vàng-platinum-vàng 4 nanomet (FePtAu), với cấu trúc tinh thể tứ giác, tạo ra dòng điện trên mỗi đơn vị khối lượng cao hơn bất kỳ chất xúc tác nano nào khác được thử nghiệm. Hơn nữa, hạt nano trimetallic tại Brown hoạt động gần như sau 13 giờ như lúc ban đầu. Ngược lại, một tổ hợp hạt nano khác được thử nghiệm trong các điều kiện giống hệt nhau đã mất gần 90 phần trăm hiệu suất của nó chỉ trong một phần tư thời gian.
Tín dụng hình ảnh: Sun Lab / Đại học Brown
Shou We Sunve đã phát triển một chất xúc tác tế bào nhiên liệu axit formic, chất tốt nhất được tạo ra và thử nghiệm cho đến nay, ông Shouheng Sun, giáo sư hóa học tại Brown và là tác giả của bài báo cho biết. Đây có độ bền tốt cũng như hoạt động tốt.
Vàng đóng vai trò chính trong phản ứng. Đầu tiên, nó hoạt động như một tổ chức cộng đồng của các loại, dẫn các nguyên tử sắt và bạch kim thành các lớp đồng nhất, gọn gàng trong hạt nano. Các nguyên tử vàng sau đó thoát khỏi giai đoạn, liên kết với bề mặt bên ngoài của tổ hợp hạt nano. Vàng có hiệu quả trong việc sắp xếp các nguyên tử sắt và bạch kim vì các nguyên tử vàng tạo thêm không gian bên trong quả cầu hạt nano ngay từ đầu. Khi các nguyên tử vàng khuếch tán từ không gian khi nung nóng, chúng tạo ra nhiều chỗ hơn cho các nguyên tử sắt và bạch kim tự lắp ráp. Vàng tạo ra các nhà hóa học kết tinh muốn trong tổ hợp hạt nano ở nhiệt độ thấp hơn.
Vàng cũng loại bỏ carbon monoxide (CO) khỏi phản ứng bằng cách xúc tác quá trình oxy hóa của nó. Carbon monoxide, ngoài việc nguy hiểm đến hơi thở, liên kết tốt với các nguyên tử sắt và bạch kim, làm dấy lên phản ứng. Bằng cách chủ yếu chà nó từ phản ứng, vàng cải thiện hiệu suất của chất xúc tác sắt-bạch kim. Nhóm nghiên cứu đã quyết định thử vàng sau khi đọc tài liệu rằng các hạt nano vàng có hiệu quả trong việc oxy hóa carbon monoxide - rất hiệu quả, trên thực tế, các hạt nano vàng đã được tích hợp vào mũ của lính cứu hỏa Nhật Bản. Thật vậy, các hạt nano kim loại ba đầu của đội Brown cũng hoạt động tốt trong việc loại bỏ CO trong quá trình oxy hóa axit formic, mặc dù không rõ tại sao cụ thể.
Các tác giả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tạo ra cấu trúc tinh thể có trật tự cho chất xúc tác hạt nano. Vàng giúp các nhà nghiên cứu có được cấu trúc tinh thể có tên là khuôn mặt trung tâm-tứ giác, một hình dạng bốn mặt trong đó các nguyên tử sắt và bạch kim về cơ bản buộc phải chiếm các vị trí cụ thể trong cấu trúc, tạo ra nhiều trật tự hơn. Bằng cách áp đặt trật tự nguyên tử, các lớp sắt và bạch kim liên kết chặt chẽ hơn trong cấu trúc, do đó làm cho việc lắp ráp ổn định và bền hơn, cần thiết cho các chất xúc tác hoạt động tốt hơn và lâu dài hơn.
Trong các thí nghiệm, chất xúc tác FePtAu đạt 2809,9 mA / mg Pt (hoạt tính khối lượng, hoặc tạo ra trên mỗi miligam bạch kim), một loại cao nhất trong số các chất xúc tác NP (hạt nano) từng được báo cáo, các nhà nghiên cứu Brown viết. Sau 13 giờ, hạt nano FePtAu có hoạt động khối lượng 2600mA / mg Pt, hoặc 93 phần trăm giá trị hiệu suất ban đầu của nó. So sánh, các nhà khoa học viết, hạt nano platinum-bismuth được đón nhận có hoạt tính khối lượng khoảng 1720mA / mg Pt trong các thí nghiệm giống hệt nhau và hoạt động kém hơn bốn lần khi đo độ bền.
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng các kim loại khác có thể được thay thế bằng vàng trong chất xúc tác hạt nano để cải thiện hiệu suất và độ bền của chất xúc tác.
Các nhà nghiên cứu đã viết một chiến lược kiểm soát cấu trúc mới để điều chỉnh và tối ưu hóa xúc tác hạt nano cho quá trình oxy hóa nhiên liệu.
Sen Zhang, một sinh viên tốt nghiệp năm thứ ba trong phòng thí nghiệm Sun, đã giúp thiết kế và tổng hợp hạt nano. Shaojun Guo, một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Sun Sun đã thực hiện các thí nghiệm oxy hóa điện hóa. Huiyuan Zhu, một sinh viên tốt nghiệp năm thứ hai tại phòng thí nghiệm Sun, đã tổng hợp các hạt nano FePt và chạy các thí nghiệm điều khiển. Tác giả đóng góp khác là Dong Su từ Trung tâm Vật liệu nano chức năng tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, người đã phân tích cấu trúc của chất xúc tác hạt nano bằng phương tiện kính hiển vi điện tử tiên tiến ở đó.
Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Tập đoàn Exxon Mobil đã tài trợ cho nghiên cứu.