Der Klimawandel und die Verknappung fossiler Brennstoffe sind zwei zentrale Herausforderungen der Energieforschung. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFCs), die den sauberen Brennstoff Wasserstoff produzieren, sind eine der vielversprechendsten Optionen, um diese beiden Herausforderungen anzugehen.
PEFCs sind jedoch teuer in der Herstellung und im Betrieb, hauptsächlich wegen der großen Menge an Platin (Pt), die sie benötigen. Darüber hinaus ist die Menge an Pt in der Erdkruste begrenzt, was bedeutet, dass es für eine wirklich nachhaltige Herstellung von PEFCs unerlässlich ist, die von ihnen verwendete Menge an Pt zu reduzieren.
Gegenwärtig verwenden PEFCs Kathoden (die positive Elektrode), die aus Pt-Nanopartikeln (NPs) hergestellt sind, die auf Ruß (Pt-NPs/CB) geträgert sind. Jüngste Forschungen haben jedoch gezeigt, dass Pt-Nanocluster (Pt-NCs) eine höhere Aktivität der Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) aufweisen als Pt-NPs, dh sie haben eine höhere Leistung. Bisher war der Grund für die hohe ORR-Aktivität von Pt-NCs unklar.
Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yuichi Negishi von der Tokyo University of Science (TUS) ein neuartiges Pt-NC entwickelt, das eine 2,1-mal höhere ORR-Aktivität als kommerzielle Pt-NPs aufweist, und den Ursprung seiner hohen Aktivität aufgeklärt.
„In unserer Studie haben wir uns auf Pt-NCs konzentriert, die von einer Basis aus Pt, Kohlenstoffcarboxylat (CO) und Triphenylphosphin (PPh3) abgeleitet sind, d. h. [Pt17(CO)12(PPh3)8]z (wobei z = 1+ oder 2+). Wir haben kürzlich gezeigt, dass diese Pt-NCs im Gegensatz zu anderen an der Luft stabil sind. Wir haben dann Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführt, um den Grund für seine bemerkenswerte Aktivität aufzudecken“, sagt Prof. Negishi.
Zum Forschungsteam gehörten auch Junior Associate Professor Tokuhisa Kawawaki von der Tokyo University of Science, Associate Professor Kenji Iida von der Hokkaido University, Professor Toshihiko Yokoyama vom Institute for Molecular Science, Japan, und Professor Gregory F. Metha von der University of Adelaide, Australien. Die Studie wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Nanomaßstab am 24. März 2023.
Die Forscher stellten die Pt-NCs durch Adsorption von her [Pt17(CO)12(PPh3)8]z auf Ruß, gefolgt von einer Calcinierungsreaktion. Anschließend verglichen sie seine Leistung mit herkömmlichen Pt-NPs/CB unter Verwendung einer Technik namens lineare Sweep-Voltammetrie. Sie fanden heraus, dass die neuartigen Pt-NCs eine höhere Leistung aufwiesen als die Pt-NPs/CB. Bemerkenswerterweise hatten die Pt-NCs bei 0,9 Volt eine 2,1-mal höhere Aktivität als die Pt-NPs/CB. Sie fanden auch heraus, dass eine zunehmende Pt-Beladung in der Elektrode zu einer Erhöhung ihrer Massenaktivität führt und dass die PT-NCs eine höhere Haltbarkeit als die kommerziellen PT-NPs/CB aufwiesen.
Als nächstes führten sie DFT-Berechnungen durch, um die Ursprünge seiner hohen Aktivität aufzuklären. „Unsere Berechnungen legen nahe, dass die hohe ORR-Aktivität der neuartigen Pt-NCs auf die Oberflächen-Pt-Atome zurückzuführen ist, die eine elektronische Struktur aufweisen, die für den Fortschritt der ORR geeignet ist“, verrät Prof. Negishi.
Diese Ergebnisse können als Richtlinie für das Design zukünftiger hochaktiver, leistungsstarker Pt-Katalysatoren für den Einsatz in PEFCs dienen, die uns einen Schritt weiter zur Eindämmung des Klimawandels und der Krise der fossilen Brennstoffe bringen werden.
Mehr Informationen:
Tokuhisa Kawawaki et al, Pt17-Nanocluster-Elektrokatalysatoren: Herstellung und Ursprung einer hohen Sauerstoffreduktionsreaktionsaktivität, Nanomaßstab (2023). DOI: 10.1039/D3NR01152F