Tanie materiały katalityczne do ogniw paliwowych
Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC), zasilane bezemisyjnym wodorem, są bardzo atrakcyjnym rozwiązaniem dla pojazdów z ogniwami paliwowymi. PEMFC najpierw rozszczepiają gaz wodorowy na tworzące go protony i elektrony przy jednej z elektrod. Przepływ elektronów wytwarza energię elektryczną, a następnie protony i elektrony łączą się ze zredukowanym tlenem na drugiej elektrodzie. Jedynym produktem ubocznym tego procesu jest woda. Pomimo wysokiej sprawności przetwarzania energii, reakcja wytwarzająca zredukowany tlen w ogniwach paliwowych wymaga stosowania drogich elektrod platynowych. Ten cenny katalizator metalowy jest najważniejszą pozycją generującą koszty w ogniwach, a tym samym główną barierą dla masowego wprowadzenia ich na rynek. Aby spełnić wymagania dotyczące sprawności, trwałości i kosztów ogniw paliwowych, naukowcy zainicjowali projekt CATHCAT (Novel catalyst materials for the cathode side of MEAs suitable for transportation applications), finansowany ze środków UE. Uczeni opracowali nowe katalizatory ze stopów platyny i palladu, stanowiących pierwszy składnik, oraz pierwiastków ziem rzadkich, stanowiących drugi. Symulacje komputerowe modelujące reakcje katalityczne wykazały, że aktywność katalityczna zwiększa się, kiedy atomy platyny są naprężone, choć maksymalne możliwe naprężenie jest ograniczone. Zespół posłużył się różnymi metodami elektrochemicznymi do wytworzenia nanocząstek platyny i stopów palladu, w tym metodami próżniowymi. Zależnie od metody losowo rozmieszczone atomy w stopach tworzyły uporządkowany kryształ lub struktury polikrystaliczne. Badanie pokazało, że atomy platyny lub palladu umieszczone warstwowo na pierwiastkach ziem rzadkich są przyciągane do siebie dużo bliżej niż czyste atomy platyny, co powoduje znaczące zwiększenie wydajności katalizy. W szczególności, nowo opracowane nanocząstki wykazują się nawet pięciokrotnie większą aktywnością katalityczną oraz wysoką stabilnością. Wysokie ceny platyny i innych metali szlachetnych należą do największych przeszkód utrudniających komercjalizację ogniw PEMFC. Zmniejszenie ilości, a nawet całkowite wyeliminowanie platyny pozwoli na znaczące zmniejszenie kosztów tych ogniw. Dzięki temu stałyby się one bardziej atrakcyjne dla zastosowań transportowych, a tym samym mogłyby łatwiej trafić na rynek.
Słowa kluczowe
Materiały katalizujące, ogniwa paliwowe, platyna, PEMFC, CATHCAT, pallad, metale ziem rzadkich
