Miglioramento della tolleranza al metanolo delle nanoparticelle di platino per la reazione catodica delle celle a combustibile a metanolo diretto attraverso un design geometrico

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 16219 (2015) Citare questo articolo

3185 accessi

26 citazioni

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La padronanza della struttura delle nanoparticelle potrebbe essere un modo efficace per migliorarne le prestazioni per una determinata applicazione. Qui dimostriamo la progettazione di nanostrutture a campana a gabbia per migliorare la tolleranza al metanolo delle nanoparticelle di platino (Pt) pur mantenendo la loro attività catalitica per la reazione di riduzione dell'ossigeno. Questa strategia inizia con la sintesi di nanoparticelle core-shell-shell con Pt e argento (Ag) che risiedono rispettivamente nelle regioni del core e del guscio interno, che vengono poi agitate con una soluzione satura di cloruro di sodio (NaCl) per eliminare il componente Ag dalla parte interna. regione del guscio, che porta alla formazione di nanoparticelle bimetalliche con una struttura a campana a gabbia, definita come un nucleo mobile di Pt racchiuso da un guscio metallico con nanocanali, che mostrano proprietà superiori di tolleranza al metanolo nel catalizzare la reazione di riduzione dell'ossigeno a causa della diversa diffusione comportamento del metanolo e dell'ossigeno nel guscio metallico poroso di nanoparticelle strutturate a campana di gabbia. In particolare, l'uso di un agente chimico notevolmente economico (NaCl) per promuovere la formazione di particelle strutturate a campana contenente un ampio spettro di gusci metallici evidenzia il suo merito ingegneristico nel produrre elettrocatalizzatori altamente selettivi su larga scala per la reazione catodica del metanolo diretto celle a combustibile.

Tra i vari tipi di celle a combustibile, le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) sono le più promettenti come fonti di energia per prodotti portatili e mobili che richiedono una bassa densità di potenza ma un'elevata densità di energia. La loro capacità di funzionare a temperature relativamente basse e caratteristiche di avvio rapido (poiché il metanolo viene utilizzato direttamente senza la necessità di reforming del carburante) si confronta favorevolmente con le celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEMFC) basate sull'ossidazione dell'idrogeno1,2,3. Per ricapitolare brevemente, uno dei maggiori problemi con le DMFC dopo quasi due decenni di sforzi di ricerca è il passaggio del metanolo dall'anodo al catodo attraverso la membrana elettrolitica polimerica (PEM), che può portare a una significativa riduzione della cella a combustibile efficienza perché l'elettrocatalizzatore di platino (Pt) comunemente usato al catodo non è selettivo per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) ed è anche cataliticamente attivo per la reazione di ossidazione del metanolo (MOR)4,5,6,7,8. Sebbene siano stati dedicati numerosi sforzi alla modifica dei PEM per superare questo ostacolo chiave per la commercializzazione dei DMFC, si ritiene generalmente che la membrana Nafion comunemente utilizzata abbia un tasso inaccettabilmente elevato di crossover del metanolo9,10,11,12, 13,14,15. In questo senso, la sintesi di elettrocatalizzatori con elevata selettività per l'ORR rappresenta un'alternativa per risolvere il problema del crossover del metanolo nei DMFC. Sfortunatamente, gli elettrocatalizzatori altamente selettivi per l'ORR come i complessi macrociclici dei metalli di transizione16,17,18,19, i solfuri e i seleniuri dei metalli di transizione20,21,22, non sono chimicamente stabili nell'ambiente acido dei DFMC e le loro basse attività ORR intrinseche in assenza di metanolo sono carenze note. Pertanto, l’interesse per lo sviluppo di catalizzatori catodici tolleranti al metanolo con attività ORR paragonabili a quelle del Pt non è diminuito nel corso degli anni.

Invece delle strategie classiche per aumentare le prestazioni catalitiche del Pt attraverso la lega con metalli di transizione23,24,25,26, nei nostri primi studi abbiamo avanzato il concetto secondo cui la buona selettività ORR del catalizzatore Pt potrebbe essere realizzata attraverso un design geometrico, piuttosto che realizzando sfruttamento delle proprietà intrinseche del metallo catalitico27,28. In questa strategia, le nanoparticelle bimetalliche Pt-Ru con struttura a campana (CBS), che si riferisce a un nucleo mobile racchiuso da un guscio con nanocanali, sono state prodotte sulla base della diffusione dall'interno verso l'esterno di Ag in contenitori contenenti Ag nanoparticelle metalliche core-shell per ottenere la selettività ORR. Nelle nanoparticelle CBS Pt-Ru, il metallo cataliticamente attivo, cioè Pt, era situato nella regione centrale protetta da un guscio poroso di Ru, che è inattivo per l'ossidazione del metanolo. Il metanolo e l'ossigeno devono diffondersi all'interno del CBS della nanoparticella attraverso il guscio poroso del Ru affinché si verifichino MOR e ORR. Tuttavia, una molecola di metanolo è più grande di una molecola di ossigeno (i diametri delle molecole di metanolo e ossigeno sono rispettivamente 0,44 nm e 0,34 nm). Quindi la diffusione di O2 è più veloce di quella del metanolo nelle nanoparticelle CBS Pt-Ru, rendendo l’ossidazione del metanolo su CBS Pt-Ru un evento non competitivo.