Hidrojen yakıt hücresi araçları uzun zamandır temiz hareketliliğin geleceği olarak selamlanmıştır: yüksek verimlilik ve güç yoğunluğu verirken sudan başka bir şey yaymayan arabalar. Yine de inatçı bir engel var. Yakıt hücresinin kalbi olan platin bazlı katalizör, hem pahalı hem de bozulmaya eğilimlidir. Zamanla, katalizör operasyon sırasında bozulur, sık değiştirilmeleri zorlar ve hidrojen araçlarını maliyetli tutar.
Bu katalizörlerin atom seviyesinde neden ve nasıl bozulduğunu anlamak, kataliz araştırmalarında uzun süredir devam eden bir zorluktur. Bu bilgi olmadan, kitlesel olarak benimsenmesi için gerçekten dayanıklı ve uygun fiyatlı yakıt hücreleri tasarlamak ulaşılamaz.
Şimdi, Kaist’teki Fizik Bölümü’nden Profesör Yongsoo Yang tarafından yönetilen bir ekip (Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü), Kaist’in Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nden Profesör Eun-Ae Cho ile işbirliği içinde, Lawrence Berkeley National Laboratory’de araştırmacılar, Algranslarda bireysel atomların üç hastalıklı değişimini başarıyla izledi. Sonuçlar, platin-nikel (PTNI) katalizörlerinin atomik ölçekli bozunma mekanizmaları hakkında benzeri görülmemiş bir fikir vermekte ve galyum (GA) dopinginin hem performanslarını hem de dayanıklılıklarını nasıl önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir.
Çalışma dergide yayınlandı Doğa İletişimi.
Katalizörler için yeni bir atomik ‘CT taraması’
Bu atılımı elde etmek için ekip, sinir ağ destekli bir atomik elektron tomografisi (AET) tekniğini kullandı. Bir hastanedeki BT taraması gibi, insan vücudunun iç kısmını X-ışını görüntülerinden yeniden yapılandırır, AET, birçok farklı açıda çekilen yüksek çözünürlüklü elektron mikroskopi görüntülerinden nanomalzemelerin içindeki binlerce atomun pozisyonlarını belirler. Bu rekonstrüksiyonları gelişmiş AI tabanlı veri düzeltmesi ile birleştirerek, araştırmacılar nanoparçacık katalizörlerindeki her atomun tam 3D koordinatlarını ve kimyasal kimliğini haritalayabildiler.
Bu, yakıt hücresi çalışma koşulları altında binlerce kez bisiklete bindikleri için katalizörlerin yapı, kimyasal bileşim ve iç gerilimde nasıl değiştiğini doğrudan gözlemlemelerine izin verdi.
Galyum neden bir fark yaratıyor
Araştırmacılar geleneksel PTNI katalizörlerini GA katkılı PTNI katalizörleriyle karşılaştırdı. Sonuçlar ortaya çıktı:
- Şekil Kararlılığı: Gözdensüz PTNI partikülleri yavaş yavaş avantajlı oktahedral şekillerini kaybederken ve daha küresel hale gelse de (yani, oldukça aktif {111} fasetlerinin fraksiyonu azaltılmıştır), GA katkılı parçacıklar 12.000 döngüden sonra bile oktahedral şekillerini korudu.
- Kimyasal stabilite: PTNI katalizörlerinde, hem yüzey hem de yeraltı bölgelerinden sızan nikel atomları, yapısal instabiliteyi yönlendirir. Ga katkılı katalizörlerde, yüzey nikel büyük ölçüde korundu ve yapının çökmesini önledi.
- Gerinim koruma: PTNI partiküllerindeki basınç suşu, oksijen azaltma aktivitesini optimize etmek için çok önemli, zamanla önemli ölçüde gevşedi. Aksine, ga katkılı parçacıklar optimal suşu korudu.
- Katalitik Performans: Araştırmacılar, bu faktörleri entegre ederek, disiped PTNI katalizörlerinin 12.000 döngüden sonra oksijen azaltma aktivitelerinin ~% 17’sini kaybettiklerinde, GA katkılı PTNI katalizörlerinin sadece ~% 4 kaybettiğini ve üstün aktiviteyi koruduğunu gösterdiler.
Araştırmaya liderlik eden Dr. Yang, sonuçların önemini açıkladı: “Bu sonuçlar, ilk kez yakıt hücresi katalizörlerinin gerçek 3D atomik ölçekli bozunma dinamiklerinin doğrudan görselleştirildiğini temsil ediyor.
Hidrojenle çalışan bir gelecek için sonuçlar
Çalışma, sinir ağı destekli AET’in, geleneksel 2D görüntüleme ve topluluk ortalamalı yöntemlerin sınırlamalarını aşarak gerçek çalışma koşulları sırasında nanomalzemelerin nasıl geliştiğini ortaya koyabileceğini göstermektedir. PTNI katalizörlerinin ötesinde, teknik çok çeşitli nanomalzemelere ve katalitik sistemlere uygulanabilir ve yeni nesil enerji malzemelerinin atomik hassasiyetle tasarlanmasına yardımcı olur.
Hidrojen ekonomisi için bu, daha dayanıklı katalizörlerin yakıt hücrelerinin ömrünü uzatabileceği, daha düşük yedek maliyetler ve hidrojenle çalışan araçların ve temiz enerji teknolojilerinin yaygın olarak benimsenmesini hızlandırabileceği anlamına gelir.
