For brintkraft, verdslige materialer kan være næsten lige så gode som dyr platin

Som alle, der har købt smykker, kan bevidne, platin er dyrt. Det er svært for forbrugerne, men også en alvorlig hindring for en lovende kilde til elektricitet til køretøjer:brintbrændselscellen, som er afhængig af platin.

Nu er et forskerhold ledet af Bruce E. Koel, en professor i biologisk og kemiteknik ved Princeton University, har åbnet en dør til at finde langt billigere alternativer. I et papir offentliggjort 4. april i tidsskriftet Naturkommunikation , forskerne rapporterede, at en kemisk forbindelse baseret på hafnium virkede omkring 60 procent så effektivt som platin-relaterede materialer, men til omkring en femtedel af prisen.

"Vi håber at finde noget, der er mere rigeligt og billigere til at katalysere reaktioner, " sagde Xiaofang Yang, hovedforsker hos HiT Nano Inc. og besøgende samarbejdspartner hos Princeton, som arbejder sammen med Koel på projektet.

Brændselsceller fungerer ved at omdanne energi lagret i brintatomer direkte til elektricitet. NASA har længe brugt brændselsceller til at drive satellitter og andre rummissioner. I dag, de begynder at blive brugt til elbiler og busser.

Brint er det enkleste og mest rigelige grundstof ikke kun på denne planet, men også i det kendte univers.

På det mest grundlæggende niveau, brændselsceller producerer elektricitet ved at spalte brint i dets to komponenter, en proton og en elektron. Protonerne strømmer gennem en membran og kombineres med ilt for at danne vand. De negativt ladede elektroner strømmer mod en positivt ladet pol i brændselscellen. Denne strøm af elektroner er den strøm, som brændselscellen genererer, som kan drive motorer eller andre elektriske enheder. Denne spaltning kræver et materiale som platin for at katalysere reaktionen.

Katalysatorer bruges også i reaktioner, der skaber den brintgas, der tjener som brændstof til brændselscellen. I det mest ønskelige, fossil-brændstof uafhængig sag, vedvarende elektrisk energi kan bruges til at spalte vandmolekyler (to brintatomer og et oxygen) i nærværelse af en katalysator. Reaktionen spalter vandet i ilt og brintgasser. Jo mere effektiv katalysatoren er, jo mindre energi skal der til for at spalte vandet.

Nogle avancerede brændselsceller, kaldet regenerative brændselsceller, kombinere begge reaktioner. Men de fleste nuværende brændselsceller er afhængige af brint skabt af separate systemer og solgt som brændstof.

Lige nu, de bedste katalysatorer til begge reaktioner er platingruppemetaller. Forskerne tror ikke, at det vil ændre sig, fordi "platin er næsten perfekt, " sagde Koel. Med platingruppemetaller, de elektrokemiske reaktioner for at trække brinten ud er hurtige og effektive, plus at metallerne kan modstå de barske sure forhold, der i øjeblikket kræves til sådanne reaktioner.

Problemet, selvom, er, at platin er sjælden og dyr. "Du kan ikke rigtig forestille dig at erstatte transportinfrastrukturen med brændselsceller baseret på platin, " sagde Koel. "Det er for sjældent og for dyrt at bruge i den skala."

For sådanne applikationer, platins perfektion er måske ikke nødvendig. En god nok erstatning, fandt forskerne, er hafniumoxyhydroxid, der er blevet behandlet med et nitrogenplasma (plasma er en ioniseret gas og er en stoftilstand, der findes i fluorescerende lys og solen) for at inkorporere nitrogenatomer i materialet.

Tidligere, mange materialer er blevet overset til elektrokemiske anvendelser, fordi de er ikke-ledende. Imidlertid, forskerne fandt ud af, at behandling af hafniumoxid med nitrogenplasmaet danner en tynd film af materiale, der fungerer som en meget aktiv katalysator, der også overlever under stærkt sure forhold.

Mens denne hafnium-baserede film kun er omkring to tredjedele så effektiv som platin, hafnium er langt billigere end platin. Forskerne planlægger at teste zirconium, hvilket er endnu billigere, Næste.

Selvom de kunne være nyttige i brændselsceller, Yang og Koel mener, at denne slags materialer kan være mest værdifulde i systemer, der anvender en katalysator til elektrokemisk at spalte vand for at producere brint til brug som brændstof.

"Den fremtidige vedvarende økonomi afhænger i høj grad af, hvordan vi effektivt kan opdele vand for at generere brint, " sagde Yang. "Dette trin er ret vigtigt."

Men Yang og Koel understreger, at deres opdagelse ikke vil føre til et rush af nye overkommelige teknologier endnu - eller endda i den nærmeste fremtid. Lige nu, proceduren for at skabe materialet er kompleks og begrænset til laboratoriet. Mens de har bekræftet filmens ydeevne, man skal altid overveje den teknik, der kræves for at gøre det praktisk i stor skala. I stedet, denne opdagelse åbner døren til yderligere udforskning af materialer, der muligvis kan erstatte platin.

"Vi forstår stadig ikke, hvorfor netop dette materiale er så specielt, men vi er sikre på de egenskaber, vi har målt, " sagde Koel. "Materialet er kompliceret, så vi har meget arbejde at gøre."