Nye nanomaterialer vil øge vedvarende energi

Det globale energiforbrug accelererer med et alarmerende tempo. Der er tre hovedårsager:hurtig økonomisk ekspansion, befolkningstilvækst, og øget afhængighed af energibaserede apparater over hele verden.

Vores stigende energiefterspørgsel og traditionelle brændstoffers miljøpåvirkning udgør alvorlige udfordringer for menneskers sundhed, energisikkerhed, og miljøbeskyttelse. Det er blevet vurderet, at verden bliver nødt til at fordoble sin energiforsyning inden 2050, og det er afgørende, at vi udvikler nye energityper for at imødegå denne udfordring.

Brændselsceller bruger normalt dyre platinelektroder, men et ikke-metalalternativ kunne være en overkommelig løsning til energisikkerhed. Brændselsceller genererer elektricitet ved at oxidere brændstof til vand, giver ren og bæredygtig strøm.

Brint kan bruges som brændstof. Først, brint opdeles i dets bestanddele elektroner og protoner. Så genererer strømmen af ​​elektroner elektrisk strøm, før elektronerne og protonerne forbindes med reduceret ilt, danner vand som det eneste biprodukt.

Denne teknologi har høj energikonverteringseffektivitet, skaber stort set ingen forurening, og har potentiale for storstilet brug. Imidlertid, den livsvigtige reaktion, som genererer reduceret ilt i brændselsceller, kræver en katalysator – traditionelt en platinelektrode. Desværre, de høje omkostninger og begrænsede ressourcer har gjort denne ædelmetalkatalysator til den primære barriere for massemarkedsbrændselsceller.

Lige siden brændselsceller med platin blev udviklet til Apollo-månemissionen i 1960'erne, forskere har udviklet katalysatorer lavet af legeringer indeholdende platin sammen med billigere metaller. Disse legeringskatalysatorer har et lavere platinindhold, alligevel kræver kommerciel masseproduktion stadig store mængder platin. For at gøre brændselsceller til en levedygtig energimulighed i stor skala, vi har brug for andre effektive, lavpris, og stabile elektroder.

Vi har tidligere opdaget en ny klasse af billige metalfrie katalysatorer baseret på kulstof nanorør med tilsat nitrogen, som klarede sig bedre end platin i basale brændselsceller. Den forbedrede katalytiske ydeevne kan tilskrives nitrogenatomernes elektronaccepterende evne, som hjælper iltreduktionsreaktionen. Disse kulstofbaserede, metalfrie katalysatorer kan dramatisk reducere omkostningerne ved kommercialisering af brændselscelleteknologi. Desværre, de viser sig ofte at være mindre effektive under sure forhold – de typiske forhold i almindelige brændselsceller.

Brug af kulstofkompositter med en porøs struktur for at øge overfladearealet og nanorør for at forbedre ledningsevnen, vores seneste forskning viser, at vores nanomaterialer er i stand til at katalysere iltreduktion lige så effektivt som de avancerede ikke-ædelmetalkatalysatorer – og med en længere stabilitet. Dette første vellykkede forsøg på at bruge kulstofbaserede metalfrie katalysatorer i sure brændselsceller kunne lette kommercialiseringen af ​​overkommelige og holdbare brændselsceller.

Ud over brændselsceller, disse nye metalfrie kulstof-nanomateriale-katalysatorer er også effektive elektroder til billige solceller, superkondensatorer til energilagring, og vandopdelingssystemer, der genererer brændstof fra vand. Den udbredte brug af kulstofbaserede metalfrie katalysatorer vil derfor resultere i bedre brændstoføkonomi, et fald i skadelige emissioner, og en reduceret afhængighed af oliekilder. Dette kan dramatisk påvirke livet i den nærmeste fremtid.

Denne historie er udgivet med tilladelse fra The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).