Este estudo foi liderado pelo Dr. Yang Hu (Instituto do Departamento de Conversão e Armazenamento de Energia, Universidade Técnica da Dinamarca) e Dr. Qing-Feng Li (Instituto do Departamento de Conversão e Armazenamento de Energia, Universidade Técnica da Dinamarca).
As ligas de metais de terras raras Pt (RE) são uma família de catalisadores com desempenho excepcional para a reação de redução de oxigênio (ORR) em meio ácido. Para a superfície estendida de Pt policristalino a granel₅ Eletrodos RE, as atividades específicas relatadas estão na faixa de 7–11 mA cm ⁻² a 0,9 V (vs. RHE) testado em 0,1 M HClO₄ solução, que é 3,5-5,5 vezes maior do que para a superfície de Pt policristalina.

Duas ligas Pt-RE na forma de nanopartículas com tamanhos uniformes, a saber, Pt_x Y e Pt_x Gd (x indica variando estequiometria ou estrutura de liga mal definida), foram preparados a partir de fontes de cluster usando uma técnica de agregação de gás. Suas atividades específicas abordaram 14 mA cm ⁻² , e as atividades de massa atingiram 4 A mgPt ⁻¹ , que estão entre os valores mais altos relatados.

Após o teste de estresse acelerado de 10.000 ciclos de potencial entre 0,6 e 1,0 V em O₂ -saturado 0,1 M HClO₄ , o Pt_x As partículas de liga de Gd mantiveram a atividade de massa de cerca de 2,8 mA cm_Pt ⁻¹ , ainda 2,8 vezes mais ativo que o Pt puro.

No entanto, a tradução desses resultados promissores de eletrodos em massa e partículas modelo para um catalisador do mundo real ainda não foi alcançada, o que atraiu extensos esforços de pesquisa na última década. Eles visam sintetizar catalisadores de liga Pt-RE em escala suficientemente grande e verificar seu excelente desempenho em células a combustível de membrana de troca de prótons (PEM) e fizeram progressos significativos.

Recentemente, o grupo de Hu desenvolveu uma abordagem química universal e escalável para sintetizar catalisadores de liga Pt-RE suportados por carbono. O processo de síntese chave é aquecer uma mistura de precursores de estado sólido em uma atmosfera redutora. Uma série de catalisadores de liga Pt-RE, como Pt₂ Gd, Pt₃ Y e Pt₅ La, foram sintetizados usando o método. Foi alcançada uma escala de produção de até 10 g por lote.

O tamanho das partículas de uma liga Pt-RE afeta significativamente sua atividade e estabilidade em relação ao ORR. Estudos anteriores sobre o modelo Pt_x Y e Pt_x As partículas de Gd preparadas a partir da fonte do cluster indicaram que os tamanhos ótimos de partículas situam-se na faixa de cerca de 6-9 nm, maiores do que (ou seja, 3 nm) para as nanopartículas puras de Pt. Os diferentes tamanhos ideais se originam das propriedades estruturais e químicas únicas das partículas da liga Pt-RE.

Íons de metais de terras raras têm potenciais de redução padrão muito baixos, por exemplo, -2,372 V para Y/Y ³⁺ . Uma vez em contato com um meio ácido, os átomos de RE são propensos a serem lixiviados da região da superfície das partículas da liga para formar uma sobrecamada de Pt, que é deformada de forma compressiva devido à menor distância Pt-Pt no núcleo da partícula da liga.

Este efeito de tensão causa a energia de ligação de HO* ligeiramente enfraquecida na camada de Pt e, assim, aumenta sua atividade em direção ao ORR. A extensão deste efeito de tensão é altamente dependente do tamanho do núcleo da liga. Quanto menor o tamanho da partícula, mais fraco o efeito. Além disso, seus estudos anteriores mostraram que partículas de liga Pt-RE menores que 3 nm perderam quase todos os átomos de RE após o tratamento em solução ácida.

Assim, para obter tanto a boa atividade catalítica quanto a estabilidade, as partículas da liga Pt-RE precisam ser suficientemente grandes, idealmente acima de 6 nm. No entanto, partículas grandes inevitavelmente têm pequenas áreas de superfície específicas e, portanto, uma baixa utilização dos átomos de Pt. Como resultado, uma faixa de tamanho ideal de 6 a 9 nm foi sugerida para partículas de liga Pt-RE para o ORR.

Neste trabalho, Hu e seus colaboradores tentam sintetizar catalisadores de liga Pt-RE com as estruturas ideais sugeridas, ou seja, uma fase intermetálica Pt5RE com o tamanho de partícula de 6-9 nm. Ponto₅ Ce foi escolhido como a fase de liga alvo, porque é uma das estruturas de liga Pt-RE mais estáveis ​​relatadas para o ORR, e Ce é um dos metais RE mais abundantes e baratos.

Estabilidade e custo são os dois fatores cruciais na aplicação industrial do catalisador em células a combustível PEM. Eles primeiro tentaram diferentes condições de síntese e prepararam com sucesso uma série de catalisadores com um único Pt₅ Fase Ce. Esforços foram então feitos para adaptar os tamanhos do Pt₅ Partículas de Ce, que acabou por ser o grande desafio deste estudo.

Para realizar essa tarefa, eles investigaram o padrão de crescimento do Pt₅ Partículas de Ce durante todo o processo de síntese. Com base nisso, eles estudaram o efeito de dois parâmetros de síntese no processo de crescimento de partículas. Com base no entendimento obtido, eles conseguiram sintetizar um Pt₅ Amostra Ce/C com tamanho médio de partícula de 5,2 nm e desvio padrão de 1,3 nm, o que mostra um desempenho de ORR promissor.

A pesquisa foi publicada em Advanced Sensor and Energy Materials . + Explorar mais

Catalisador de nanocluster com núcleo de átomo único obtido em 'reação antigalvânica' para conversão de dióxido de carbono