Sequential template-mediated synthesis of interstitially boron-incorporated intermetallic Pt-M nanosheets

Stel je een wereld voor waarin de piepkleine machines die onze toekomst aandrijven—brandstofcellen die waterstof in elektriciteit omzetten zonder vervuiling—veel efficiënter en duurzamer gemaakt kunnen worden. In het hart van deze machines zitten katalysatoren, materialen die chemische reacties versnellen. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op platina, een edelmetaal, om dit werk te doen. Echter, puur platina is duur en slijt uiteindelijk uit. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers geprobeerd platina te mengen met andere metalen om sterkere, goedkopere structuren te creëren. Ze hebben ook geprobeerd om kleine atomen van niet-metalen, zoals boor, in de tussenruimtes tussen de metaalatomen toe te voegen om de werking van het materiaal aan te passen. Maar er is een addertje onder het gras. Het maken van deze gemengde metaalstructuren vereist meestal het bakken bij zeer hoge temperaturen, wat de delicate, ultradunne vellen materiaal doet afbrokkelen en samenklonteren, waardoor ze hun nuttige vorm verliezen. Omgekeerd zorgt het toevoegen van de niet-metaalatomen te vroeg ervoor dat de metalen zich niet kunnen ordenen in de sterke, geordende patronen die nodig zijn voor duurzaamheid. Het is een synthetische patstelling: de condities die nodig zijn om de structuur sterk te maken, zijn dezelfde die de vorm vernietigen.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gevonden om deze patstelling te doorbreken. Ze ontwikkelden een nieuwe methode om ultradunne, tweedimensionale vellen te maken van platina en nikkel die versterkt zijn met booratomen die veilig binnenin zijn weggestopt. Hun aanpak is een zorgvuldig getimede sequentie van stappen die werkt als een beschermend schild. Eerst maakten ze een poreuze plaat van platina en nikkel. Voordat ze het materiaal verhitten om de atomen in een perfecte, geordende rangschikking te dwingen, bedekten ze het vel met een dunne laag silica, wat in feite een glazen schil is. Deze schil fungeert als een barrière, die het vel in vorm houdt terwijl de hitte de platina- en nikkelatomen dwingt om in een rigide, intermetallisch patroon te vergrendelen. Zodra dit sterke interne skelet is gevormd, wordt de silica verwijderd en worden de booratomen voorzichtig in de lege ruimtes binnen het metaallattice ingebracht. Omdat de metaalatomen al op hun plaats zijn vergrendeld door hun sterke bindingen, bewegen ze niet rond of klonteren ze niet samen wanneer het boor wordt toegevoegd. Het resultaat is een materiaal dat zowel ongelooflijk dun als structureel robuust is, waarbij het de beste eigenschappen van geordende metalen en interstitiële legeringen combineert.

De prestaties van deze nieuwe vellen zijn opmerkelijk. Wanneer ze in een laboratoriumsetting werden getest om te zien hoe goed ze de zuurstofreductiereactie konden aansturen—het sleutelproces in brandstofcellen—presteerde het nieuwe materiaal aanzienlijk beter dan standaard platinakatalysatoren. Specifiek leverde de nieuwe katalysator een massavermogen van 4,99 ampère per milligram platina en een specifieke activiteit van 12,25 milliampère per vierkante centimeter. Om dit in perspectief te plaatsen, vertegenwoordigen deze cijfers respectievelijk een eenentwintigvoudige en een achtentwintigvoudige verbetering ten opzichte van de commerciële platina-standaard. Maar snelheid is niet de enige maatstaf; duurzaamheid is even belangrijk. Na blootstelling aan honderdduizend cycli van elektrische stress, wat jaren van gebruik simuleert, verloor het nieuwe materiaal slechts 22,8 procent van zijn activiteit. In contrast hiermee verloor de standaard commerciële katalysator bijna 80 procent van zijn vermogen onder dezelfde omstandigheden. De onderzoekers hebben ook aangetoond dat deze methode werkt met andere metalen, zoals kobalt, ijzer en mangaan, wat suggereert dat dit een veelzijdige recept is voor een nieuwe klasse katalysatoren.

Om te begrijpen waarom dit materiaal zo goed werkt, keken de onderzoekers naar de atomaire structuur met behulp van geavanceerde röntgentechnieken en computersimulaties. Ze ontdekten dat de geordende rangschikking van platina- en nikkelatomen voorkomt dat het oppervlak oxideert of zichzelf opnieuw rangschikt wanneer er elektriciteit wordt toegepast, een veelvoorkomende faalmodus voor minder stabiele katalysatoren. De booratomen spelen een dubbelrol. Ten eerste vormen ze sterke, covalent-achtige bindingen met de omringende metaalatomen, die fungeren als ankers die de structuur bij elkaar houden en voorkomen dat de metaalatomen oplossen of migreren. Ten tweede verandert de aanwezigheid van boor de elektronische omgeving van het platina, waardoor het gemakkelijker wordt voor zuurstofmoleculen om zich te hechten en uiteen te vallen, wat de essentiële stap is in het opwekken van elektriciteit. De computermodellen bevestigden dat hoewel de toevoeging van boor het metaallattice licht uitrekt, een verandering die een katalysator normaal gesproken minder efficiënt maakt, het elektronische effect van het boor zo sterk is dat het dit nadeel compenseert, waardoor het materiaal wordt geoptimaliseerd voor de taak.

Dit werk demonstreert dat door de volgorde van handelingen zorgvuldig te controleren en een tijdelijke beschermlaag te gebruiken, wetenschappers complexe materialen kunnen creëren die voorheen onmogelijk te synthetiseren waren. Het succes van deze strategie ligt in het vermogen om twee tegenstrijdige vereisten van elkaar te scheiden: de hoge hitte die nodig is om de metaalatomen te ordenen en de milde condities die nodig zijn om de vorm van het materiaal te behouden en de niet-metaalatomen toe te voegen. Door eerst het sterke metaalraamwerk te vestigen, creëerden de onderzoekers een stabiele fundering die de daaropvolgende toevoeging van boor zonder in te storten kon weerstaan. De bevindingen wijzen op een duidelijke weg vooruit voor het ontwerpen van betere elektrokatalysatoren, niet alleen voor brandstofcellen, maar potentieel ook voor andere energieconversiesystemen waar duurzaamheid en efficiëntie van cruciaal belang zijn. Het vermogen van het materiaal om zijn prestaties te behouden tijdens extreme stresstests geeft aan dat het een levensvatbare kandidaat zou kunnen zijn voor de volgende generatie schone energietechnologieën, waarmee de beperkingen van huidige op platina gebaseerde oplossingen worden overstegen.