Forskere udvikler nyt materiale til længerevarende brændselsceller

Ny forskning tyder på, at grafen - lavet på en bestemt måde - kunne bruges til at lave mere holdbare brintbrændselsceller til biler.

I undersøgelsen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Nanoskala , videnskabsmænd producerede grafen via en speciel, skalerbar teknik og brugte den til at udvikle brintbrændselscellekatalysatorer. Forskerholdet, involverer forskere fra Queen Mary University of London og University College London (UCL), viste, at denne nye type grafen-baserede katalysatorer var mere holdbare end kommercielt tilgængelige katalysatorer og matchede deres ydeevne.

Brintbrændselsceller omdanner kemisk energi til elektrisk kraft ved at kombinere brint og ilt ved hjælp af katalysatorer. Da det eneste biprodukt af reaktionen er vand, de giver en effektiv og miljøvenlig strømkilde.

Platin er den mest udbredte katalysator til disse brændselsceller, men dets høje omkostninger er et stort problem for kommercialiseringen af ​​brintbrændselsceller. For at løse dette problem, kommercielle katalysatorer fremstilles typisk ved at dekorere små nanopartikler af platin på en billigere kulstofbærer, imidlertid reducerer materialets dårlige holdbarhed i høj grad levetiden af ​​nuværende brændselsceller.

Tidligere forskning har antydet, at grafen kunne være et ideelt støttemateriale til brændselsceller på grund af dets korrosionsbestandighed, højt overfladeareal og høj ledningsevne. Imidlertid, den grafen, der er brugt i de fleste eksperimenter til dato, indeholder mange defekter, hvilket betyder, at den forudsagte forbedrede modstand endnu ikke er opnået.

Teknikken beskrevet i undersøgelsen producerer grafen af ​​høj kvalitet dekoreret med platinnanopartikler i en én-potte syntese. Denne proces kunne skaleres op til masseproduktion, åbne op for brugen af ​​grafen-baserede katalysatorer til udbredte energianvendelser.

Professor Dan Brett, Professor i elektrokemisk teknik ved UCL, sagde:"At tilfredsstille globale energikrav uden at skade miljøet er en af ​​de store moderne udfordringer. Brintbrændselsceller kan give renere energi og bruges allerede i nogle biler som et alternativ til benzin eller diesel. en stor barriere for deres udbredte kommercialisering er evnen for katalysatorer til at modstå omfattende cykling, der kræves til deres brug i energiapplikationer. Vi har vist, at vi ved at bruge grafen i stedet for det typiske amorfe kulstof som støttemateriale kan skabe ultraholdbare katalysatorer."

Forskerne bekræftede holdbarheden af ​​den grafenbaserede katalysator ved hjælp af en type test baseret på dem, der anbefales af det amerikanske energiministerium (DoE), kendt som accelererede stresstests. Accelererede stresstests stresser bevidst katalysatoren hurtigt over mange cyklusser på kort tid, giver forskere mulighed for at vurdere stabiliteten af ​​nye materialer uden at skulle bruge dem i en operationel brændselscelle over en periode på måneder eller år.

Ved at bruge disse tests, forskerne viste, at tabet i aktivitet i den samme testperiode var omkring 30 procent lavere i den nyudviklede grafen-baserede katalysator, sammenlignet med kommercielle katalysatorer.

Gyen Ming Angel, Ph.D. studerende og hovedforfatter af undersøgelsen, fra UCL, sagde:"DoE opstiller tests og mål for brændselscellernes holdbarhed, med en accelereret stresstest til at simulere normale driftsforhold og en til at simulere de høje spændinger, der opleves ved opstart og nedlukning af brændselscellen. De fleste forskningsstudier i grafenrummet evaluerer kun ved hjælp af en af ​​de anbefalede tests. Imidlertid, da vi har grafen af ​​høj kvalitet i vores materiale, vi har formået at opnå høj holdbarhed i både test og under lange testperioder, hvilket er vigtigt for den fremtidige kommercialisering af disse materialer. Vi ser frem til at inkorporere vores nye katalysator i kommerciel teknologi og realisere fordelene ved brændselsceller med længere levetid."

Grafen er lavet af et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter. På trods af dens relativt enkle opbygning, grafen menes at have bemærkelsesværdige egenskaber, herunder høj elektrisk ledningsevne, høj gennemsigtighed og høj fleksibilitet.

Dr. Patrick Cullen, Underviser i vedvarende energi fra Queen Mary University of London, sagde:"I årenes løb, der har været en masse hype omkring grafen og det store antal lovende anvendelser for dette materiale. Imidlertid, forskersamfundet venter stadig på, at dets fulde potentiale bliver realiseret, og dette har ført til en vis negativitet omkring dette foreslåede 'vidundermateriale'. Denne opfattelse bliver ikke hjulpet af det faktum, at mange forskningsundersøgelser om grafen bruger defekte versioner af grafen. Vi håber, at dette papir kan genoprette troen på grafen og vise, at dette materiale rummer et stort potentiale for at forbedre teknologien, som brændselsceller, nu og i fremtiden."