Brintbrændselscellefremgang overstiger DOE-opsatte mål for brændselscelleydelse og holdbarhed

Lige så vigtig som forbrændingsmotoren har været for samfundets fremskridt, er den også en stor bidragyder til forurening, der skader menneskers sundhed og kulstofemissioner, der er med til at drive klimakrisen. Tæt på 30% af USA's CO2-emissioner kommer fra transport, og 95% af transporten bruger fossile brændstoffer.

Et element i et potentielt middel ville være at drive køretøjer med brintbrændselsceller, som kun udsender vanddamp. Denne bæredygtighedsløsning har dog et ironisk, indbygget aspekt, der er uholdbart:De nødvendige katalysatorer for at trække strøm fra brint involverer sjældne og dyre metaller som platin. I mængder, der bruges til nutidens teknologi, ville en udbredt anvendelse kræve mængder af disse metaller ud over, hvad menneskeheden kan skaffe.

En nylig undersøgelse i Nature Nanotechnology ledet af en UCLA-professor kan repræsentere et vendepunkt. Forskerne rapporterede om en tilgang, der gjorde det muligt for dem at opfylde - og slå - ambitiøse mål for høj katalysatorydelse, høj stabilitet og lav brug af platin, som blev fastsat af Department of Energy. Deres rekordbrydende teknologi brugte minimale krystaller af en platin-kobolt-legering, hver indlejret i en nano-lomme lavet af grafen, beskrevet som et todimensionelt materiale, fordi det består af et lag kulstof, der er et atom tykt.

Sammenlignet med de strenge DOE-standarder for katalysatorer – hidtil uopfyldt – gav forfatternes grafenindpakkede legering ekstraordinære resultater:

• 75 gange mere katalytisk aktivitet
• 65 % mere strøm
• omkring 20 % mere katalytisk aktivitet ved den forventede afslutning af brændselscellens levetid
• omkring 35 % mindre tab af strøm efter test, der simulerer 6.000 til 7.000 timers brug, hvilket slår målet på 5.000 timer for første gang
• næsten 40 % mindre platin pr. køretøj

"Dette er aldrig blevet gjort før," sagde den korresponderende forfatter Yu Huang, professor og formand for Institut for Materials Science and Engineering ved UCLA Samueli School of Engineering og medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA. "Denne opdagelse involverede noget serendipity. Vi vidste, at vi var inde på noget, der kunne gøre mindre partikler stabile, men vi forventede ikke, at det ville fungere så godt."

I dag bruges halvdelen af ​​den samlede globale forsyning af platin og lignende metaller til katalysatorer i køretøjer drevet af fossile brændstoffer, en komponent, der gør deres emissioner mindre skadelige. Et sted mellem 2 og 8 gram platin er påkrævet pr. køretøj. Til sammenligning bruger den nuværende brintbrændselscelleteknologi omkring 36 gram pr. køretøj.

Ved den laveste belastning af platin testet af Huang og hendes team ville hvert brintdrevet køretøj kun have brug for 6,8 gram platin.

Så hvordan fik forskerne mere kraft ud af mindre platin? De brød den platinbaserede katalysator op i partikler på gennemsnitligt 3 nanometer lange. En nanometer er en milliarddel af en meter, og nanopartiklerne var så små, at det ville tage mere end 30.000 lagt ende-til-ende for at spænde over tykkelsen af ​​et enkelt ark papir. Mindre partikler betyder mere overfladeareal, og mere overfladeareal betyder mere fast ejendom, hvor katalytisk aktivitet kan forekomme.

Der er dog en fangst, der har forhindret tidligere forsøg på at få bedre ydeevne ved at gå småt med brintbrændselscellekatalysatorer. I sig selv er små partikler også langt mindre holdbare, fordi de har tendens til at trække sig væk fra en overflade eller samle sig til større partikler.

Huang og hendes kolleger adresserede denne begrænsning ved at armere deres katalysatorpartikler i 2D-materialet grafen. Sammenlignet med bulkkulstof, som det almindeligvis ses i kul eller blyantbly, har sådanne tynde kulstoflag overraskende kapaciteter, som leder elektricitet og varme effektivt og udviser styrke 100 gange stærkere end stål ved lignende tykkelse.

Deres platin-kobolt-legering blev reduceret til partikler. Før de blev integreret i en brændselscelle, var partiklerne omgivet af grafen nanolommer, der fungerede som en slags anker for at forhindre partiklerne i at migrere - nødvendigt for det holdbarhedsniveau, der er nødvendigt i erhvervskøretøjer. Samtidig tillod grafenen et lille mellemrum på omkring 1 nanometer omkring hver katalysatornanopartikel, hvilket betød, at vigtige elektrokemiske reaktioner kunne forekomme.

"Det er lidt intuitivt," sagde Huang. "Hvis du sætter en hætte på partiklen, der tillader reaktionen at fortsætte, men begrænser partiklen på det sted, vil det løse holdbarhedsproblemet, som dog er meget udfordrende at opnå i så lille skala."

Dette seneste fremskridt følger en nylig samarbejdsundersøgelse ledet af Huang, der producerede en model til at forudsige den katalytiske aktivitet og holdbarhed af en platinbaseret legering, der kan bruges til at guide design af katalysatorer - den første af sin slags. Hun og hendes team arbejder på at omsætte deres eksperimentelle resultater til praktisk teknologi, der kan bringes på markedet og forhåbentlig bidrage til grøn energi og bæredygtighedsindsats. + Udforsk yderligere

Muligt skridt mod billigere brintbaseret energi:Forudsigelse af ydeevne af katalysatorer i brændselsceller