12.03.2021 - POSTECH - Pohang University of Science and Technology

Das Geheimnis von Katalysatoren, die den Wirkungsgrad von Brennstoffzellen erhöhen

Entwicklung von Hochleistungskatalysatoren einen Schritt näher gekommen

Brennstoffzellen, die als umweltfreundliche Energiequelle Aufmerksamkeit erregen, gewinnen Strom und Wärme gleichzeitig durch die Umkehrreaktion der Wasserelektrolyse. Daher ist der Katalysator, der die Reaktionseffizienz steigert, direkt mit der Leistung der Brennstoffzelle verbunden. Hierzu ist ein gemeinsames Forschungsteam von POSTECH und UNIST der Entwicklung von Hochleistungskatalysatoren einen Schritt näher gekommen, indem es die "Ex-Solution" (Eine Elution: Ein Vorgang, bei dem Metallgemische erhitzt werden, um ihre Bestandteile zu trennen) und Phasenübergangsphänomene erstmals auf atomarer Ebene untersucht hat.

Ein gemeinsames Forschungsteam von Professor Jeong Woo Han und Doktorand Kyeounghak Kim vom POSTECH-Department of Chemical Engineering und Professor Guntae Kim vom UNIST haben den Mechanismus aufgedeckt, durch den PBMO - ein Katalysator, der in Brennstoffzellen verwendet wird - von einer Perowskit-Struktur in eine Schichtstruktur mit Nanopartikeln umgewandelt wird, die sich an der Oberfläche auflösen, was sein Potenzial als Elektrode und chemischer Katalysator bestätigt. Diese Forschungsergebnisse wurden kürzlich als Backcover-Paper der Energy & Environmental Science, einer internationalen Fachzeitschrift im Bereich Energie, veröffentlicht.

Katalysatoren sind Substanzen, die chemische Reaktionen verstärken. PBMO (Pr0.5Ba0.5MnO3-δ), einer der Katalysatoren für Brennstoffzellen, ist als ein Material bekannt, das auch bei direkter Verwendung von Kohlenwasserstoff, nicht von Wasserstoff, stabil arbeitet. Insbesondere weist es eine hohe Ionenleitfähigkeit auf, da es sich unter einer sauerstoffverlierenden Reduktionsumgebung in eine Schichtstruktur umwandelt. Gleichzeitig tritt das Ex-Solution-Phänomen auf, bei dem die Elemente im Inneren des Metalloxids an die Oberfläche segregieren.

Dieses Phänomen tritt unter einer Reduktionsumgebung ohne einen besonderen Prozess freiwillig auf. Da die Elemente im Inneren des Materials an die Oberfläche steigen, verbessern sich die Stabilität und die Leistung der Brennstoffzelle immens. Es war jedoch schwierig, die Materialien zu entwickeln, da der Prozess, durch den diese Hochleistungskatalysatoren gebildet werden, unbekannt war.

Mit Blick auf diese Eigenschaften bestätigte das Forscherteam, dass der Prozess eine Abfolge von Phasenübergang, Partikelauslösung und Katalysatorbildung durchläuft. Dies wurde mit Hilfe der auf der Quantenmechanik basierenden First-Principles-Berechnung und dem in-situ XRD-Experiment nachgewiesen, das die Beobachtung von Echtzeit-Kristallstrukturänderungen in Materialien ermöglicht. Die Forscher bestätigten auch, dass der auf diese Weise entwickelte Oxidationskatalysator eine bis zu viermal bessere Leistung aufweist als herkömmliche Katalysatoren, was die Anwendbarkeit dieser Studie auf verschiedene chemische Katalysatoren bestätigt.

"Wir waren in der Lage, die Materialien in atomaren Einheiten, die in früheren Experimenten schwer zu bestätigen waren, genau zu verstehen und erfolgreich zu demonstrieren und damit die Grenzen der bisherigen Forschung zu überwinden", erklärte Professor Jeong Woo Han, der die Studie leitete. "Da diese Trägermaterialien und Nanokatalysatoren für Abgasreduzierung, Sensoren, Brennstoffzellen, chemische Katalysatoren usw. verwendet werden können, ist in Zukunft eine aktive Forschung in zahlreichen Bereichen zu erwarten."

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