Díky technologii využívající toxický oxid uhelnatý k výrobě ultratenkých vrstev kovu o tloušťce pouhých 0,3 nm lze rychleji a jednodušeji vyrábět katalyzátory, které jsou klíčové pro zlepšení ekonomické životaschopnosti palivových článků. Mohlo by to významně podpořit rozvoj souvisejících průmyslových odvětví.
Katalyzátor vyrobený novou metodou a modelem katalyzátoru s jádrem a pláštěm © Korea Institute of Energy Research
Katalyzátory typu jádro—skořápka (core—shell) jsou tvořeny dvěma různými kovy. Vnitřní jádro se složením liší od vnější skořápky. Bývá obvykle vyrobeno z levnějšího kovu, zatímco skořápku tvoří platina podporující chemické reakce probíhající v palivových článcích. Díky této konstrukci lze zachovat vysoký výkon při katalýze a zároveň výrazně omezit spotřebu drahé platiny.
Pro vytvoření fungující struktury katalyzátoru jádro—skořápka je ovšem nutné nanést na povrch jádra atomárně tenkou vrstvu skořápky s mimořádnou přesností. K tomuto účelu se dosud využívala složitá a časově náročná metoda nanášení mědi (Cu-UPD), při níž se nejprve na jádro nanese tenká vrstva levné mědi a ta je následně nahrazena platinou.
Badatelský tým Laboratoře vodíkových palivových článků v Korejském institutu energetického výzkumu však vyvinul metodu u CO2 adsorpčně-indukované depozice (CO2 AID) využívající oxidačně-redukční chování oxidu uhelnatého a umožňující přesné nanášení kovů bez dodatečných technologických kroků či redukčních činidel. Zároveň zkracuje dobu zpracování na pouhou desetinu času potřebného u konvenčních metod. Ironií je, že vědci využili oxid uhelnatý právě pro jeho vlastnost, kvůli které je tak toxický. Snadno totiž ulpívá na kovech, při vdechování se silně váže na ionty železa v krvi, čímž brání transportu kyslíku a představuje vážná zdravotní rizika. V nově vyvinuté technologii je však silná afinita ke kovům výhodou.
Díky tomuto přístupu lze vyrobit kilogramová množství katalyzátorů s jádrem a pláštěm za pouhých 30 minut až 2 hodiny, což představuje působivé zlepšení oproti konvenčním metodám nanášení mědi, které trvají více než 24 hodin. Navíc, protože proces využívá inherentní redoxní aktivitu oxidu uhelnatého, eliminuje potřebu elektrochemických systémů nebo dalších redukčních činidel.
Tým pomocí nově vyvinuté metody vyrobil katalyzátory s jádrem a obalem nanesením platiny na kovy, jako je palladium, zlato a iridium. Pozoruhodné je, že platinový katalyzátor s jádrem a obalem na bázi palladia prokázal přibližně dvojnásobnou aktivitu ORR (oxygen reduction reaction) a 1,5× delší trvanlivost než komerčně dostupné katalyzátory tvořené platinou na uhlíku (Pt/C).
Dr. Park, vedoucí výzkumník, vysvětlil: „Tato práce vznikla z myšlenky přeměnit toxicitu oxidu uhelnatého na nástroj pro řízení tenkých vrstev v nanoměřítku. Umožněním přesného inženýrství materiálů na atomové úrovni a drastickým zkrácením doby zpracování představuje tato technologie nové paradigma syntézy s vynikajícími vyhlídkami na komercializaci.“
Dr. Kwon, člen výzkumného týmu, poznamenal: „Schopnost manipulovat s povrchy kovových nanočástic na úrovni atomární vrstvy pomocí něčeho tak jednoduchého, jako je oxid uhelnatý, znamená, že tato technologie by mohla mít dalekosáhlé důsledky — nejen pro výrobu katalyzátorů pro palivové články, ale také pro pokrok ve výrobě nanočástic v oblastech, jako jsou polovodiče a tenkovrstvé materiály.“