Overlegen brintkatalysator vokser bare på den måde

Udskiftning af din daglige benzinsluger med en brintdrevet bil kan drastisk reducere dit CO2-fodaftryk. Så hvorfor skifter vi ikke alle sammen?

En af grundene til, at vi ikke gør det, er den dyre platinkatalysator, der kræves for at drive brintbrændselsceller effektivt.

Forskning ledet af Sandia National Laboratories og University of California, Merced havde til formål at nedbringe prisen på brintbrændselsceller og brugte en snavsbillig forbindelse til at skabe en ujævn overflade, der ligner en plantes blade. Det ekstra område hjælper med at katalysere brint næsten lige så effektivt som platin.

Ledende forskere Stanley Chou, en Sandia-materialeforsker, og UC Merceds Vincent Tung har ansøgt om et fælles patent for spray-printprocessen, som bruger billig molybdendisulfid. Det øgede overfladeareal af det rislende "blad" skaber tre gange så mange katalytiske kontaktpunkter som andre molybdændisulfidstrukturer, og den nye kreation kan klare højere temperaturer end platin uden sintring og gummiering af cellen.

Arbejdet er en del af en indsats for billigere at drive brintdrevne biler, ønskelige, fordi de udsender vand frem for kulilte eller kuldioxid.

Naturen som allieret

Produktionsmetoden bruger naturen som en allieret snarere end en hindring, sagde Chou. "I traditionel tænkning, kræfter som tyngdekraften, viskositet og overfladespænding skal overvindes for at opnå de fremstillede former, du ønsker. Vi troede, i stedet for at tænke disse kræfter som begrænsninger, hvorfor ikke bruge dem til at gøre noget nyttigt? Så, vi gjorde."

Tung sagde, at metoden anvender naturlige processer til at producere materialer til ekstremt billige brændselscelleterminaler til at frigøre brint. "Udskrivningsprocessen giver også mulighed for fortsat deponering, med evnen til at skalere til industrien, " han sagde.

Holdet blandede molybdændisulfid med vand og brugte udskrivningsprocessen til at uddrive mikronstørrelse dråber ind i et lukket område omkring 2 fod højt. Da de faldt, dråberne blev først adskilt i nanoskopiske underenheder. Disse tørrede yderligere, da de faldt, deres krympende volumen producerer en ujævn 3D-overflade meget som planters blade, med små kamme, bakker, kanaler, huler og tunneller. Lander på et underlag og på hinanden, "bladene" var stadig fugtige nok til at binde sig, som om de var fastgjort på kritiske punkter med små dråber lim. Dermed, nanostrukturerne mistede ikke deres individualitet, men i stedet, ved at bevare deres identiteter, skabte små tunneler i og mellem dem, der tillod ekstraordinær adgang for brintatomer til at søge deres frihed fra kemiske bindinger.

Inspirationen til at skabe en bioinspireret 3-D-form opstod ved at studere neglebåndets foldeproces, en mekanisme, der bruges af planter til at kontrollere diffusion og permeabilitet på bladoverflader, sagde Chou.

"Vi ser vores katalysator som et uorganisk materiale, der fungerer som en plante. Nanostrukturerne, som blade, er varieret i form, med små stigninger og fald, " sagde han. "Strukturerne optager et eksternt materiale for at producere brint i stedet for oxygen, og en dag kan blive drevet af sollys." Lige nu, meget lavspændings elektricitet gør jobbet.

Tvivl om strukturens styrke dannet på en så serendipitøs måde, Tung fortalte, blev afgjort, da en studerende på 170 pund uforvarende trampede på en af ​​de første molybdændisulfid-katalysatorkreationer, da den ved et uheld faldt på gulvet. Et par hundrede nanometer tyk, det hvilede på et kvadratcentimeter-kulstofsubstrat, men var ellers ubeskyttet. Elektromikroskopisk undersøgelse viste, at den lille struktur var ubeskadiget. "Bladen" har også vist sig at være langtidsholdbare, fortsætter med at producere brint i seks måneder.

Værket er genstand for en teknisk artikel offentliggjort online i tidsskriftet Avancerede materialer .