Ahli kimia di Brown University telah menciptakan nanopartikel metalik berkepala tiga yang dilaporkan berkinerja lebih baik dan bertahan lebih lama daripada katalis nanopartikel lainnya yang dipelajari dalam reaksi sel bahan bakar. Kuncinya adalah penambahan emas: Menghasilkan struktur kristal yang lebih seragam sambil menghilangkan karbon monoksida dari reaksi. Hasil diterbitkan dalam Journal of American Chemical Society.
PROVIDENCE, R.I. - Kemajuan teknologi sel bahan bakar telah dihambat oleh ketidakmampuan logam yang dipelajari sebagai katalis. Kelemahan dari platinum, selain biaya, adalah ia menyerap karbon monoksida dalam reaksi yang melibatkan sel bahan bakar yang ditenagai oleh bahan organik seperti asam format. Logam yang lebih baru diuji, paladium, rusak seiring waktu.
Sekarang ahli kimia di Brown University telah menciptakan nanopartikel metalik berkepala tiga yang menurut mereka mengungguli dan melampaui semua yang lain di ujung anoda dalam reaksi sel bahan bakar asam format. Dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam Journal of American Chemical Society, para peneliti melaporkan 4-nanometer besi-platinum-emas nanopartikel (FePtAu), dengan struktur kristal tetragonal, menghasilkan arus per unit massa yang lebih tinggi daripada katalis nanopartikel lainnya yang diuji. Selain itu, nanopartikel trimetalik di Brown berkinerja hampir sama setelah 13 jam seperti yang terjadi di awal. Sebaliknya, rakitan partikel nano lainnya yang diuji dalam kondisi yang sama kehilangan hampir 90 persen kinerjanya hanya dalam seperempat waktu.
Kredit Gambar: Sun Lab / Brown University
"Kami telah mengembangkan katalis sel bahan bakar asam format yang merupakan yang terbaik yang telah dibuat dan diuji sejauh ini," kata Shouheng Sun, profesor kimia di Brown dan penulis terkait di atas kertas. "Ini memiliki daya tahan yang baik serta aktivitas yang baik."
Emas memainkan peran kunci dalam reaksi. Pertama, ia bertindak sebagai pengatur komunitas, mengarahkan atom besi dan platinum ke dalam lapisan yang rapi dan seragam di dalam partikel nano. Atom-atom emas kemudian keluar dari panggung, mengikat ke permukaan luar dari perakitan partikel nano. Emas efektif dalam memesan atom besi dan platinum karena atom emas menciptakan ruang ekstra di dalam bola nanopartikel pada awalnya. Ketika atom emas berdifusi dari ruang saat dipanaskan, mereka menciptakan lebih banyak ruang bagi atom besi dan platinum untuk berkumpul. Emas menciptakan zat kimia kristalisasi yang diinginkan dalam rakitan partikel nano pada suhu yang lebih rendah.
Emas juga menghilangkan karbon monoksida (CO) dari reaksi dengan mengkatalisasi oksidasi. Karbon monoksida, selain berbahaya untuk bernapas, berikatan dengan baik dengan atom besi dan platinum, menyatukan reaksi. Dengan menggosoknya dari reaksi, emas meningkatkan kinerja katalis besi-platinum. Tim memutuskan untuk mencoba emas setelah membaca dalam literatur bahwa nanopartikel emas efektif dalam mengoksidasi karbon monoksida - sangat efektif, pada kenyataannya, bahwa nanopartikel emas telah dimasukkan ke dalam helm petugas pemadam kebakaran Jepang. Memang, nanopartikel metalik berkepala tiga tim Brown bekerja dengan baik untuk menghilangkan CO dalam oksidasi asam format, meskipun tidak jelas mengapa.
Para penulis juga menyoroti pentingnya menciptakan struktur kristal yang tertata untuk katalis partikel nano. Emas membantu para peneliti mendapatkan struktur kristal yang disebut "face-centered-tetragonal," bentuk empat sisi di mana atom besi dan platinum pada dasarnya dipaksa untuk menempati posisi tertentu dalam struktur, menciptakan lebih banyak keteraturan. Dengan memaksakan urutan atom, lapisan besi dan platinum mengikat lebih erat dalam struktur, sehingga membuat perakitan lebih stabil dan tahan lama, penting untuk katalis yang berkinerja lebih baik dan tahan lama.
Dalam percobaan, katalis FePtAu mencapai 2809,9 mA / mg Pt (aktivitas massa, atau arus yang dihasilkan per miligram platinum), "yang merupakan katalis tertinggi di antara semua katalis NP (nanopartikel) yang pernah dilaporkan," tulis para peneliti Brown. Setelah 13 jam, nanopartikel FePtAu memiliki aktivitas massa 2600mA / mg Pt, atau 93 persen dari nilai kinerja aslinya. Sebagai perbandingan, para ilmuwan menulis, nanopartikel platinum-bismut yang diterima dengan baik memiliki aktivitas massa sekitar 1720mA / mg Pt di bawah percobaan yang sama, dan empat kali kurang aktif ketika diukur untuk daya tahan.
Para peneliti mencatat bahwa logam lain dapat disubstitusi dengan emas dalam katalis nanopartikel untuk meningkatkan kinerja dan daya tahan katalis.
"Komunikasi ini menyajikan strategi kontrol struktur baru untuk menyempurnakan dan mengoptimalkan katalisis partikel nano untuk oksidasi bahan bakar," tulis para peneliti.
Sen Zhang, seorang mahasiswa pascasarjana tahun ketiga di lab Sun, membantu dengan desain dan sintesis partikel nano. Shaojun Guo, seorang rekan pascadoktoral di laboratorium Sun melakukan percobaan oksidasi elektrokimia. Huiyuan Zhu, mahasiswa pascasarjana tahun kedua di lab Sun, mensintesis partikel nano FePt dan menjalankan eksperimen kontrol. Penulis lain yang berkontribusi adalah Dong Su dari Pusat Nanomaterial Fungsional di Brookhaven National Laboratory, yang menganalisis struktur katalis nanopartikel menggunakan fasilitas mikroskop elektron canggih di sana.
Departemen Energi A.S. dan Exxon Mobil Corporation mendanai penelitian ini.