Im Vergleich zu anderen Batterietypen haben Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen die Vorteile einer hohen Entladeleistung und keiner Umweltverschmutzung, was sie auch zu einem wichtigen Träger für die Umwandlung und Nutzung von Wasserstoffenergie macht. Intermetallische Platinverbindungen spielen eine wichtige Rolle als Elektrokatalysatoren in einer Reihe von Energie- und Umwelttechnologien wie Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen.
Allerdings muss der Prozess zur Synthese intermetallischer Platinverbindungen durch hohe Temperaturen (~600°C) in geordnete Pt–M-Metallbindungen umorganisiert werden, was in der Regel erhebliche Nebenwirkungen auf die Struktur des Katalysators hat, wie etwa eine ungleichmäßige Verteilung von Größe, Morphologie, Zusammensetzung und Struktur, was wiederum die Leistung des Katalysators und der Batterien beeinträchtigt.
Als Antwort auf diese Herausforderung führte die Gruppe von Professor Changzheng Wu an der University of Science and Technology of China Halbmetallatome wie Ge, Sb und Te in den Syntheseprozess von intermetallischen Verbindungen auf Platinbasis ein. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Nationale Wissenschaftsüberprüfung.
Die zwischen Halbmetallelementen und Platinatomen (Pt–Ge, Pt–Sb, Pt–Te) gebildeten chemischen Bindungen weisen sowohl die Eigenschaften metallischer als auch kovalenter Bindungen auf, wodurch die Beschränkung der Synthesetemperatur für intermetallische Platinverbindungen aufgehoben wird. Dies ist auch für die elektrokatalytische Reaktion von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen von Vorteil.
Aufgrund der teilweisen Besetzung der p-Orbitale in den Metallisierungselementen bildet sich zwischen Platin- und Halbmetallatomen eine dp-π-Rückkopplungsbindung als starke kovalente Wechselwirkung. Diese Kraft kann als treibende Kraft genutzt werden, um die Ordnungsanordnung im Hochtemperatursyntheseprozess intermetallischer Verbindungen zu fördern und so die Temperaturgrenze für die Synthese intermetallischer Platinverbindungen zu überschreiten.
Darüber hinaus können die Eigenschaften sowohl metallischer als auch kovalenter Bindungen den Elektronentransfer und die Orbitalfüllung aktiver Platinstellen in den Brennstoffzellen weiter fördern und so die katalytische Aktivität und die Antitoxizitätswirkung verbessern.
Die intermetallischen Halbmetall-Platin-Verbindungen können bei nur 300 °C synthetisiert werden und zeigen in elektrochemischen Tests von Brennstoffzellen unter CO-Toxizität eine extrem hohe Sauerstoffreduktionsaktivität (Massenaktivität von 0,794 A mg−1 bei 0,9 V Spannung, Dämpfung von 5,1 % unter CO-Toxizität), die 11-mal höher ist als die von kommerziellen Pt/C-Katalysatoren.
Diese Studie ermöglicht durch die Einführung von Halbmetallen eine Bindungs- und Orbitaloptimierung bei der Synthese und den Arbeitsbedingungen von Brennstoffzellenkatalysatoren und bietet neue Erkenntnisse für die rationale Entwicklung fortschrittlicher Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen.
Weitere Informationen:
Han Cheng et al., Halbmetall-induzierte kovalente Wechselwirkung in intermetallischen Verbindungen auf Pt-Basis für die Elektrokatalyse in Brennstoffzellen, Nationale Wissenschaftsüberprüfung (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae233