最近発表された新型触媒構造は、低温水素燃料電池専用に設計されています。この開発は、クリーンエネルギー技術における長年の妥協問題を解決することが期待されています。それは、高価な白金触媒の安定性を損なうことなく、その出力を維持することです。セントルイスのワシントン大学のウー教授が率いる研究チームは、テストの結果、この触媒が貴金属の含有量が非常に少ない状態でも高い効率を維持できることを発見しました。興味深いことに、この技術は150,000回の電圧サイクル（約25,000時間の運転に相当）を経ても、85%の性能を維持しました。
ウー教授は、「私たちの戦略は、この新型のカーボンナノ構造を利用して、白金コバルト金属間化合物ナノ粒子を合成し、貴金属の含有量を減らし、活性と安定性を向上させることです。」と述べています。水素燃料電池は、水素と酸素を結合させてクリーンな電力を生成し、熱と純水だけを残します。この反応を効果的に駆動するために、燃料電池は希少で高価な金属である白金に依存しています。白金は優れたエネルギー変換触媒です。エンジニアたちは、大きな白金を微小なナノ粒子に縮小し、その表面積を最大化します。この方法は、少量の白金を使用して強力な触媒性能を実現しますが、持続時間は限られています。
運転圧力下では、これらの微小なナノ粒子が溶解し、漂流し、集まって、燃料電池の運転過程で徐々に劣化します。
新型触媒構造が水素燃料電池の性能を大幅に向上させる
さらに、白金コバルト合金を700°C以上に加熱すると、高度に秩序化された金属間化合物構造が生成され、耐久性が大幅に向上します。しかし、これらの極高温では、ナノ粒子が集まる傾向があります。小さな粒子はより高い活性を意味し、大きな粒子はより長い寿命を意味します。これまで、科学者たちはこの二つの間で選択を強いられてきました。この新しい研究では、チームは基礎カーボンサポートを再設計することでこの問題を克服し、秩序化された放射状ナノチャネルを持つ多孔性の中空カーボンボールを設計しました。これらの微小なカーボンケージは、白金コバルトナノ粒子を適切な位置に固定します。
この特別な高表面積構造は、密に均一に分散された白金コバルトナノ粒子をしっかりと固定し、完全に秩序化された金属間化合物を形成するために必要な高温に耐え、集まったり良好な分散性を失ったりすることはありません。標準的な方法の加熱温度の上限は通常700°C未満であり、高温では粒子の集まりが起こりやすいです。新しい方法は、最大1000°Cの温度に耐えることができ、同時に粒子のサイズを5ナノメートル以下に正確に保ちます。さらに、この高温下での構造の安定性は、優れた運転寿命に直接変換されます。興味深いことに、これらのナノ構造は150,000回のサイクルを経ても85%の出力を維持します。
開放されたチャネルは、イオン導体の均一な拡散を助け、プロトン、酸素、水が運転中に電極を容易に通過できるようにします。
ウー教授は、「したがって、このサポート体に内蔵された白金コバルトナノ粒子は、同類の中で最高の性能と持続的な耐久性を示しています。」と述べています。アメリカのデータセンターの急速な拡張は、電力需要の急激な上昇を引き起こしており、2030年までに電力消費は2023年の総発電量の4%から9%以上に増加すると予測されています。これらの増大するエネルギーと冷却の需要に対処するために、産業パートナーと協力して頑丈な燃料電池を普及させることは、実行可能な解決策を提供します。これにより、施設の運営者は地元の公共事業への依存を減らし、水素から現場で直接発電することが可能になります。
チームは、業界パートナーと協力して残された触媒の課題を解決し、高効率で持続可能な燃料電池技術の発展を加速することを目指しています。この研究は8月6日に『Nature Nanotechnology』誌に発表されました。