Entwicklung von hoch

13. Mai 2022

vom National Research Council of Science & Technology

Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) sind ein umweltfreundliches Transportmittel, das Verbrennungslokomotiven ersetzen wird. FCEVs bieten mehrere Vorteile wie kurze Ladezeiten und lange Kilometerleistung. Allerdings führen die hohen Kosten für Platin als Brennstoffzellenkatalysator zu einem begrenzten Angebot an FCEVs. Es wurden umfangreiche Untersuchungen zu Nichtedelmetallkatalysatoren wie Eisen und Kobalt als Ersatz für Platin durchgeführt. Aufgrund der geringen Leistung und Stabilität von Nichtedelmetallkatalysatoren ist es jedoch immer noch schwierig, Ersatzstoffe für Platin zu finden.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Sung Jong Yoo vom Hydrogen Fuel Cell Research Center am Korea Institute of Science and Technology (KIST) führte eine gemeinsame Forschung mit Professor Jinsoo Kim von der Kyung-Hee-Universität und Professor Hyung-Kyu Lim von der Kangwon National University durch; Sie gaben bekannt, dass sie einen einatomigen Katalysator auf Kobaltbasis mit etwa 40 % verbesserter Leistung und Stabilität im Vergleich zu modernen Kobalt-Nanopartikel-Katalysatoren entwickelt haben. Ihre Forschung wurde in Applied Catalysis B: Environmental veröffentlicht.

Herkömmliche Katalysatoren werden typischerweise durch Pyrolyse synthetisiert, wobei Übergangsmetallvorläufer und Kohlenstoff bei 700–1000℃ gemischt werden. Aufgrund der Metallaggregation und einer geringen spezifischen Oberfläche hatten die durch dieses Verfahren erhaltenen Katalysatoren jedoch eine begrenzte Aktivität. Dementsprechend haben sich Forscher auf die Synthese einatomiger Katalysatoren konzentriert; Bisher beschriebene einatomige Katalysatoren können jedoch nur in geringen Mengen hergestellt werden, da die verwendeten chemischen Substanzen und Synthesemethoden je nach Art des synthetisierten Katalysators unterschiedlich sind. Daher konzentrierte sich die Forschung eher auf die Leistungsverbesserung des Katalysators als auf den Herstellungsprozess.

Um dieses Problem anzugehen, wurde das Sprühpyrolyseverfahren unter Verwendung eines industriellen Luftbefeuchters implementiert. Tröpfchenförmige Partikel wurden durch schnelle Wärmebehandlung der aus einem Luftbefeuchter erhaltenen Tröpfchen erhalten. Dies kann eine Massenproduktion durch einen kontinuierlichen Prozess ermöglichen und beliebige Metalle können problemlos zu Partikeln verarbeitet werden. Die für die Synthese von Metallpartikeln verwendeten Materialien sollten wasserlöslich sein, da die Partikel durch einen industriellen Luftbefeuchter hergestellt werden.

Es wurde bestätigt, dass die durch dieses Verfahren entwickelten Einzelatomkatalysatoren auf Kobaltbasis eine hervorragende Stabilität sowie Brennstoffzellenleistung aufweisen und im Vergleich zu herkömmlichen Kobaltkatalysatoren um 40 % überlegen sind. Kobaltbasierte Katalysatoren verursachen auch Nebenreaktionen in Brennstoffzellen; Allerdings hat die Computerwissenschaft gezeigt, dass durch Sprühpyrolyse hergestellte Katalysatoren zu Vorwärtsreaktionen in Brennstoffzellen führen.

Dr. Yoo stellte klar: „Durch diese Forschung wurde ein Prozess entwickelt, der eine erhebliche Verbesserung der Massenproduktion von einatomigen Katalysatoren auf Kobaltbasis ermöglichen kann, und der Funktionsmechanismus von Katalysatoren auf Kobaltbasis wurde durch genaue Analysen und Berechnungen aufgeklärt.“ Wissenschaft. Diese Ergebnisse sollen als Indikatoren für die zukünftige Forschung zu Kobaltkatalysatoren dienen.“ Sie fügten außerdem hinzu: „Wir planen, den Umfang zukünftiger Forschung zu erweitern, um nicht nur Katalysatoren für Brennstoffzellen, sondern auch Umweltkatalysatoren, Wasserelektrolyse und Batteriefelder zu erforschen.“

Mehr Informationen: Kyungmin Im et al., Design von Co-NC als effizienter Elektrokatalysator: Die einzigartige Struktur und das aktive Zentrum für bemerkenswerte Haltbarkeit von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, Applied Catalysis B: Environmental (2022). DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121220

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