Forgyldningsteknik inspireret af gamle egyptere kan udløse bedre brændselsceller til morgendagens elbiler

For at gøre moderne brændselsceller billigere og mere kraftfulde, et hold ledet af Johns Hopkins kemiingeniører har hentet inspiration fra den gamle egyptiske tradition for forgyldning.

Egyptiske kunstnere på kong Tutankhamons tid dækkede ofte billigere metaller (kobber, for eksempel) med et tyndt lag af et skinnende ædelmetal som guld for at skabe ekstravagante masker og smykker. I et moderne twist, de Johns Hopkins-ledede forskere har påført en lille belægning af kostbar platin på kun en nanometer tyk – 100, 000 gange tyndere end et menneskehår – til en kerne af meget billigere kobolt. Dette mikroskopiske ægteskab kan blive en afgørende katalysator i nye brændselsceller, der genererer elektrisk strøm til at drive biler og andre maskiner.

Det nye brændselscelledesign ville spare penge, fordi det ville kræve langt mindre platin, et meget sjældent og dyrt metal, der almindeligvis bruges som katalysator i nutidens brændselscelle-elbiler. Forskerne, der udgav deres arbejde tidligere på året i Nano bogstaver , sige, at ved at gøre elbiler mere overkommelige, denne innovation kan bremse udledningen af ​​kuldioxid og andre forurenende stoffer fra benzin- eller dieseldrevne køretøjer.

"Denne teknik kan accelerere vores lancering af fossile brændstoffers æra, " sagde Chao Wang, en Johns Hopkins assisterende professor i Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik og seniorforfatter af undersøgelsen. "Det vil ikke kun reducere omkostningerne til brændselsceller. Det vil også forbedre energieffektiviteten og ydeevnen af ​​rene elektriske køretøjer drevet af brint."

I deres tidsskriftsartikel, forfatterne tippede deres hatte til de gamle egyptiske håndværkere, der brugte en lignende pletteringsteknik til at give kobbermasker og andre metalliske kunstværker et skinnende sidste lag sølv eller guld. "Ideen, " sagde Wang, "er at lægge en lille smule af den dyrebare skat oven på de billige ting."

Han påpegede, at platin, ofte brugt i smykker, er også et kritisk materiale i moderne industri. Det katalyserer vigtige reaktioner i aktiviteter, herunder forarbejdning af olie, petrokemisk syntese, og emissionskontrol i forbrændingskøretøjer, og bruges i brændselsceller. Men, han sagde, Platins høje omkostninger og begrænsede tilgængelighed har gjort dets anvendelse i rene energiteknologier stort set upraktisk - indtil nu.

"Der er meget mere kobolt derude end platin, " sagde hovedforfatter og Johns Hopkins post-doc-stipendiat Lei Wang, som ikke er i familie med Chao Wang. "Vi har været i stand til at udvide fordelene ved platin betydeligt ved at belægge det over kobolt, og vi formåede endda at øge aktiviteten af ​​platin på samme tid."

Tidligere forsøg på at udplade ædelmetaller på uædle materialer blev stort set forhindret af galvaniske erstatningsreaktioner - oxidation af det uædle metal. I dette studie, holdet undertrykte med succes sådanne reaktioner ved at indføre kulilte, et gasmolekyle, der binder sig stærkt til kobolt, beskytter det mod oxidation.

Ikke alene reducerede kobolt-platin nanopartikler brugen af ​​platin; de klarede sig næsten 10 gange bedre end platin alene. Forskerne sagde, at denne øgede katalytiske aktivitet var resultatet af både den maksimerede eksponering af platinatomer på overfladen og fra interaktioner mellem de to metaller.

"Den intime kontakt mellem kobolt og platin giver anledning til trykbelastning, " sagde Lei Wang. "Det forkorter afstanden mellem platinatomer og gør de kemiske reaktioner mere gennemførlige på overfladen."

Fordi platin og andre sjældne metaller spiller nøgleroller i mange industrielle applikationer, konsekvenserne af dette arbejde rækker ud over brændselsceller. I øjeblikket, holdet arbejder på at tilpasse deres teknik til andre ædelmetaller og ikke-ædelsubstrater. Nye udviklinger vil målrette yderligere anvendelser af sådanne materialer i kemiske omdannelser af kulbrinter.

"Mange reaktioner, der afhænger af ædelmetalkatalysatorer, kunne gøres billigere og mere effektive ved at udnytte vores teknologi, " sagde Chao Wang. "På et tidspunkt, hvor vi bliver smerteligt opmærksomme på grænserne for vores ikke-vedvarende energikilder og materialer, denne teknik peger os i en meget velkommen ny retning."