Guldlokker tænker på at reducere omkostningerne ved brændselsceller i elbiler

Toyota Mirai elektriske køretøj fra 2019 overskrider nul emissioner, takket være en brændselscelle, der kører på brint i stedet for benzin. Men Mirai har knap nok forladt Californien, dels fordi nutidens brændselscelleelektroder er lavet af superdyrt platin.

At skære ned på platin ville også reducere omkostningerne, giver flere elbiler mulighed for at komme på markedet.

En ny metode låner en del tankegang fra "Goldilocks" - den helt rigtige mængde - til at vurdere, hvor meget metal der skal til til brændselscelleelektroder. Teknikken anvender kræfterne på et metals overflade til at identificere den ideelle elektrodetykkelse.

"Der er præcis den rigtige mængde metal, der vil give brændselscelleelektroder de bedste egenskaber, "sagde Jeffrey Greeley, professor i kemiteknik ved Purdue. "Hvis de er for tykke eller for tynde, hovedreaktionen ved udbredelse af en brændselscelle virker ikke så godt, så der er et slags Goldilocks -princip her. "

Studiet, offentliggøres i tidsskriftet 22. februar Videnskab , var et samarbejde mellem Johns Hopkins University, Purdue University og University of California at Irvine.

Forskerne testede deres teori om palladium, et metal, der meget ligner platin.

"Vi bruger hovedsageligt kraft til at justere egenskaberne af tynde metalplader, der udgør elektrokatalysatorer, som er en del af brændselscellernes elektroder, "Greeley sagde." Det ultimative mål er at teste denne metode på en række forskellige metaller. "

Brændselsceller omdanner brint, kombineret med noget ilt, til elektricitet gennem en såkaldt iltreduktionsreaktion, som en elektrokatalysator starter. At finde den helt rigtige tykkelse understreger overfladen af ​​elektrokatalysatoren og forbedrer, hvor godt den udfører denne reaktion.

Forskere har tidligere forsøgt at bruge ydre kræfter til at udvide eller komprimere en elektrokatalysators overflade, men ved at gøre det risikerede at gøre elektrokatalysatoren mindre stabil.

I stedet, Greeleys gruppe forudsagde gennem computersimuleringer, at den iboende kraft på overfladen af ​​en palladiumelektrokatalysator kunne manipuleres for de bedst mulige egenskaber.

Ifølge simuleringerne en elektrokatalysator fem lag tyk, hvert lag så tyndt som et atom, ville være nok til at optimere ydelsen.

"Kæmp ikke kræfter, brug dem, "sagde Zhenhua Zeng, en postdoktor i Purdue i kemiteknik, og co-first og co-tilsvarende forfatter på dette papir. "Det ligner lidt, hvordan nogle strukturer i arkitekturen ikke har brug for eksterne bjælker eller søjler, fordi spændings- og trykkræfter er fordelt og afbalanceret."

Eksperimenter i Chao Wangs laboratorium på Johns Hopkins bekræftede simuleringsforudsigelserne, at finde ud af, at metoden kan øge katalysatoraktiviteten med 10 til 50 gange, bruger 90 procent mindre af metallet, end hvad der i øjeblikket bruges i brændselscelleelektroder.

Dette skyldes, at overfladekraften på de atomtynde elektroder indstiller belastningen, eller afstanden mellem atomer, af metalpladerne, ændre deres katalytiske egenskaber.

"Ved at justere materialets tykkelse, vi var i stand til at skabe mere belastning. Det betyder, at du har mere frihed til at fremskynde den reaktion, du ønsker på materialets overflade, "Sagde Wang.