Nyt materiale skaber brændselscellekatalysatorer til en hundrededel af prisen

Brændselsceller har potentialet til at være en ren og effektiv måde at køre biler på, computere, og kraftværker, men omkostningerne ved at producere dem begrænser deres brug. Det skyldes, at en nøglekomponent i de mest almindelige brændselsceller er en katalysator fremstillet af det ædle metal platin.

I et papir offentliggjort i dag i Lille , forskere ved University of California, Riverside, beskrive udviklingen af ​​en billig, effektivt katalysatormateriale til en type brændselscelle kaldet en polymerelektrolytmembranbrændselscelle (PEMFC), som omdanner brints kemiske energi til elektricitet og er blandt de mest lovende brændselscelletyper til at drive biler og elektronik.

Katalysatoren udviklet på UCR er lavet af porøse kulstof nanofibre indlejret med en forbindelse lavet af et relativt rigeligt metal såsom kobolt, hvilket er mere end 100 gange billigere end platin. Forskningen blev ledet af David Kisailus, Winston Chung-begavet professor i energiinnovation ved UCR's Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering.

Brændstofceller, som allerede bruges af nogle bilproducenter, giver fordele i forhold til konventionelle forbrændingsteknologier, herunder højere effektivitet, mere støjsvag drift og lavere emissioner. Brintbrændselsceller udsender kun vand.

Ligesom batterier, Brændselsceller er elektrokemiske anordninger, der omfatter en positiv og negativ elektrode, der indlejrer en elektrolyt. Når et brintbrændstof injiceres på anoden, en katalysator adskiller brintmolekylerne i positivt ladede partikler kaldet protoner og negativt ladede partikler kaldet elektroner. Elektronerne ledes gennem et eksternt kredsløb, hvor de udfører nyttigt arbejde, såsom at drive en elektrisk motor, før de igen forbinder de positivt ladede brintioner og oxygen for at danne vand.

En kritisk barriere for anvendelse af brændselsceller er prisen på platin, gør udviklingen af ​​alternative katalysatormaterialer til en vigtig drivkraft for deres masseimplementering.

Ved at bruge en teknik kaldet elektrospinning, UCR-forskerne lavede papirtynde plader af kulstofnanofibre, der indeholdt metalioner - enten kobolt, jern eller nikkel. Ved opvarmning, ionerne dannede ultrafine metalnanopartikler, der katalyserede omdannelsen af ​​kulstof til et højtydende grafitisk kulstof. Efterfølgende metalnanopartiklerne og resterende ikke-grafitisk kulstof blev oxideret, hvilket fører til et meget porøst og nyttigt netværk af metaloxid -nanopartikler spredt i et porøst netværk af grafit.

Kisailus og hans hold, samarbejder med forskere ved Stanford University, fastslog, at de nye materialer fungerede lige så godt som industristandarden platin-carbon-systemer, men til en brøkdel af prisen.

"Nøglen til den høje ydeevne af de materialer, vi har skabt, er kombinationen af ​​kemi og fiberbehandlingsbetingelser, "Sagde Kisailus." De bemærkelsesværdige elektrokemiske egenskaber blev primært tilskrevet de synergistiske virkninger opnået ved konstruktionen af ​​metaloxidet med udsatte aktive steder og den 3D hierarkiske porøse grafitstruktur. "

Kisailus sagde, at en ekstra fordel ved den katalytiske nanokomposit var, at dens grafitfiberkarakter gav ekstra styrke og holdbarhed, hvilket ville sætte den i stand til både at fungere som en brændselscellekatalysator og potentielt som en strukturel komponent.

"En vigtig udfordring ved fremstilling af højtydende køretøjer er at reducere vægten, både fra karosseriet samt ekstra vægt fra batteriet eller brændselscellen, uden at påvirke sikkerheden eller ydeevnen, " sagde han. "Det materiale, vi skabte, kan gøre det muligt for bilproducenter at dreje strukturelle komponenter, såsom emhætten eller chassiset, i funktionelle elementer, der hjælper med at drive biler. "