Et lunge-inspireret design gør vand til brændstof

Forskere ved Stanford University har designet en elektrokatalytisk mekanisme, der fungerer som en pattedyrlunge til at omdanne vand til brændstof. Deres forskning, offentliggjort 20. december i tidsskriftet Joule , kunne hjælpe eksisterende rene energiteknologier til at køre mere effektivt.

Indånding og udånding er så automatisk for de fleste organismer, at det kan forveksles som simpelt, men pattedyrets åndedrætsproces er faktisk et af de mest sofistikerede systemer til tovejs gasudveksling, der findes i naturen. For hvert åndedrag, luft bevæger sig gennem det lille, passage-lignende bronkioler i lungerne, indtil den når diminutive sække kaldet alveoler. Derfra, gassen skal passere ind i blodbanen uden blot at diffundere, hvilket ville forårsage dannelse af skadelige bobler. Det er den unikke struktur af alveolerne - inklusive en mikron-tyk membran, der afviser vandmolekyler på indersiden, mens de tiltrækker dem på den ydre overflade - der forhindrer disse bobler i at dannes og gør gasudvekslingen yderst effektiv.

Forskere i seniorforfatteren Yi Cui's laboratorium ved Institut for Materialevidenskab og Engineering ved Stanford University hentede inspiration fra denne proces for at udvikle bedre elektrokatalysatorer:materialer, der øger hastigheden af ​​en kemisk reaktion ved en elektrode. "Rene energiteknologier har demonstreret evnen til hurtig gasreaktantlevering til reaktionsgrænsefladen, men den omvendte vej - effektiv gasproduktudvikling fra katalysator/elektrolyt-grænsefladen - forbliver udfordrende, " siger Jun Li, undersøgelsens første forfatter.

Holdets mekanisme efterligner alveolen strukturelt og udfører to forskellige processer for at forbedre de reaktioner, der driver bæredygtige teknologier såsom brændselsceller og metal-luft-batterier.

Den første proces er analog med udånding. Mekanismen spalter vand for at producere brintgas, et rent brændstof, ved at oxidere vandmolekyler i anoden på et batteri og samtidig reducere dem i katoden. Iltgas (sammen med brintgassen) produceres hurtigt og transporteres gennem en tynd, alveol-lignende membran lavet af polyethylen - uden energiomkostningerne ved at danne bobler.

Den anden proces er mere som indånding og genererer energi gennem en reaktion, der forbruger ilt. Iltgas leveres til katalysatoren ved elektrodeoverfladen, så det kan bruges som reaktant under elektrokemiske reaktioner.

Selvom det stadig er i de tidlige udviklingsfaser, designet ser lovende ud. Den ualmindeligt tynde nano-polyethylenmembran forbliver hydrofob længere end konventionelle kulstofbaserede gasdiffusionslag, og denne model er i stand til at opnå højere strømtæthedshastigheder og lavere overpotentiale end konventionelle designs.

Imidlertid, dette lunge-inspirerede design har stadig plads til forbedring, før det er klar til kommerciel brug. Da nano-polyethylen-membranen er en polymer-baseret film, det kan ikke tolerere temperaturer højere end 100 grader Celsius, hvilket kunne begrænse dets anvendelser. Holdet mener, at dette materiale kan erstattes med tilsvarende tynde nanoporøse hydrofobe membraner, der er i stand til at modstå større varme. De er også interesserede i at inkorporere andre elektrokatalysatorer i enhedsdesignet for fuldt ud at udforske deres katalytiske muligheder.

"Den åndedrætslignende struktur kunne kobles med mange andre avancerede elektrokatalysatorer, og yderligere udforskning af gas-væske-fast trefaset elektrode giver spændende muligheder for katalyse, " siger Jun Li.