Svenska och kinesiska forskare visar hur en unik legering bestående av nanopartiklar av wolfram med inbäddade nanometerstora öar av palladium ger en ny typ av katalysator som är högeffektiv för syrereduktion, den viktigaste reaktionen i vätgasbränsleceller. Deras resultat publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.
En schematisk modell som visar den unika sammansättningen av legeringen. Pd-öarna (ljusbruna sfärer) är inbäddade i en omgivning av wolfram (blå sfärer). Syreatomer representeras av röda sfärer och väteatomer av vita sfärer.
Världens behov av energi växer stadigt, men ett hållbart samhälle kräver en omställning från dagens fossilbaserade råvaror. Forskargrupper världen över jobbar intensivt med att utveckla avancerade energisystem som är effektiva, billiga och samtidigt ger en liten miljöpåverkan.
Vätgasbränsleceller är en lovande teknik för hållbar energiproduktion, där den enda restprodukten är vatten. Traditionella bränsleceller är emellertid beroende av effektiva katalysatorer för att driva de långsamma kemiska reaktionerna som äger rum vid bränslecellernas katod och anod. Platina och andra ädelmetaller samt dess legeringar är de vanligast använda katalysatorerna, men på grund av deras mycket höga priser söker forskare intensivt efter katalysatorer som i stället baseras på vanligt förekommande grundämnen, såsom wolfram och nickel.
I en ny studie presenterar Umeåfysikern Thomas Wågberg tillsammans med kinesiska kollegor en unik legering med palladium (Pd) och wolfram (W).
– Trots att palladiumet bara utgör 12 procent av legeringen har den en likvärdig effektivitet som en katalysator av ren platina. Räknar vi på kostnaden, så innebär det att vår katalysator är 40 gånger billigare än en kommersiell, berättar Thomas Wågberg, docent på institutionen för fysik vid Umeå universitet i ett pressmeddelande.
Förklaringen till den höga effektiviteten är den unika sammansättningen av legeringen. Den är inte en homogen legering men heller inte att fasseparerat tvåfassystem, snarare något mitt emellan.
Genom en rad avancerade experimentella tekniker och teoretiska beräkningar, visar forskarna att legeringen är uppbyggd av små metalliska öar av palladium inbäddade i Pd-W-legeringen. Storleken på öarna är cirka en nanometer och består av 10-20 Pd-atomer som är lokaliserade vid ytan. Deras unika omgivning ger upphov till speciella effekter som innebär att öarna fungerar som högeffektiva katalytiska centra för syrereduktion.
För att stabilisera nanopartiklarna i verkliga tillämpningar är de förankrade i en speciell kolnanostruktur som benämns “ordered mesoporous carbon”. Det är ett ledande kolmaterial med stor yta per volymsenhet. Fästet hindrar att nanopartiklarna lossnar eller klumpar ihop sig under bränslecellstesterna.
– Framställningen av materialet baseras på en syntesmetod som kan utföras i en vanlig mikrovågsugn köpt på den lokala stormarknaden. Om vi inte skulle behöva använda en skyddsgas av argon, så skulle jag kunna tillverka den här avancerade katalysatorn hemma i mitt eget kök!, säger Thomas Wågberg.
Wågberg och hans forskarkollegor har nyligen beviljats anslag från Kempestiftelserna för att köpa en mer avancerad mikrovågsugn och får därigenom möjlighet att köra mer avancerade experiment för att vidareförädla katalysatorns egenskaper.
Artificiell fotosyntes
Studien har utförts inom forskningsmiljön Artificiell fotosyntes – Det konstgjorda lövet – som stöds av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Fysiker, kemister och växtforskare vid Umeå Universitet jobbar tillsammans för att framställa rena, miljövänliga energisystem.
Originalartikel:
Guangzhi Hu, Florian Nitze, Eduardo Gracia-Espino, Jingyuan Ma, Hamid Reza Barzegar, Tiva Sharifi, Xueen Jia,Andrey Shchukarev, Lu Lu, Chuansheng Ma, Guang Yang, and Thomas Wågberg: Small palladium islands embedded in palladium-tungsten bimetallic nanoparticles form catalytic hot-spots for oxygen reduction. Nature Communications, 2014 (5). DOI:10.1038/NCOMMS6253. http://www.nature.com/ncomms/2014/141013/ncomms6253/full/ncomms6253.htmlhttp://www.nature.com/naturecommunications.
