پژوهشگران وزارت انرژی آمریکا با همکاری
آزمایشگاه ملی برکلی و آرگون شکل جدیدی از آلیاژ نیکل- پلاتین را شناسایی
کردند که معتقدند فعالترین کاتالیزور کاهنده اکسیژن است که تا به حال گزارش
شده است.
کندی سرعت کاتالیز احیای اکسیژن در کاتد پیلهای سوختی مانع اصلی توسعه غشاء
پلیمری الکترولیت ((PEM پیلهای سوختی قابل استفاده در خودروها است.
محدودیت‌هایی که پیش روی کاربردهای فناوری پیلهای سوختیPEM در بخش حمل ونقل
وجود دارد را می‌توان با توسعه کاتالیزورهای پایدار و افزایش فعالیت آنها
تا چندین برابرحذف کند.
پیلهای سوختی هیدروژن زائد را به شکل آب بعنوان تنها محصول فرعی تولید شده
خارج می‌کنند. بیشتر پیلهای سوختی هیدروژنی مناسب برای خودروها، پیلهای
سوختیPEM هستند که به آنها پیلهای سوختی با غشاء مبادله‌کننده پروتون هم
گفته می‌شود.
بزرگترین فاکتور هزینه‌بر برای استفاده از این پیلها در اتومبیل‌ها وابستگی
آنها به پلاتینی بعنوان کاتالیزور است.
پیل سوختی PEM شامل یک کاتد و آند است که در دو طرف غشاء پلیمری الکترولیت
قرار گرفته‌اند. این غشا فقط باعث مبادله پروتونها می‌شود. در این پیلها
هم دو نوع واکنش اکسیداسیون در آند و احیای اکسیژن در کاتد انجام می‌گیرد.
بنابراین، ملکولهای هیدروژن در آند به الکترون و پروتون شکافته می‌شوند.
هنگامی که پروتونها از میان غشا عبور کردند، الکترونها از طریق سیم هدایت
شده در کاتد به هم می‌رسند. در کاتد الکترونها با پروتونها ترکیب شده و با
عبور از میان غشاء و ترکیب با اکسیژن به آب تبدیل می‌شوند.
هنگامی که پلاتین خالص منحصراً بعنوان کاتالیزور فعال باشد کاملاً گرانقیت
می‌شود و کارایی آن با تشکیل محصولات فرعی ناخواسته مانند یونهای هیدروکسید
به سرعت پایین می‌آید. هیدروکسیدها تمایل به چسبیدن به اتمهای پلاتین دارند
و با این کار نقش کاتالیستی آنها را از بین می‌برند.
لذا پژوهشگران از آلیاژهای پلاتین به همراه نوعی تکنیک غنی‌سازی سطح
استفاده کردند. برای این منظور سطح کاتد با یک لایه از اتمهای پلاتین
پوشیده می‌شود ولی لایه زیرین ترکیبی از پلاتین و یک فلز ارزان قیمت مثل
نیکل یا کبالت است. آلیاژ زیرسطحی به طریقی با لایه سطحی برهمکنش می‌کند که
باعث افزایش کارایی کاتد می‌شود.
در این مطالعه پژوهشگران آلیاژهای پلاتین و پلاتین- نیکل را با ساختارهای
شبکه‌ای مختلف در محفظه‌ای با خلا بالا ایجاد کردند. سپس بوسیله پروبهای
حساس به سطح و روش‌های الکتروشیمیایی توانایی این ساختارها را برای انجام
فرآیند کاتالیستیORR اندازه‌گیری و با فعالیت ORR بلور منفرد پلاتین مقایسه
کردند.
آنها مشاهده کردند که ساختار (۱۱۱)Pt3Ni بالاترین فعالیت ORR را دارد که در
حدود ۱۰ مرتبه بیشتر از پلاتین خالص است. در این ساختار لایه سطحی، متشکل
از یک لایه فشرده پلاتین است که بر روی زیرلایه‌ای از اتمهای پلاتین و نیکل
با تعداد برابر قرار گرفته است.
این کار در شماره اخیر نشریه Science با عنوان Improved Oxygen Reduction
Activity on Pt3Ni(111) via Increased Surface Site Availability به چاپ
رسیده است.
|
