Forskere tænker små for at gøre fremskridt mod bedre brændselsceller

Da vedvarende kilder som vind og sol hurtigt ændrer energilandskabet, forskere leder efter måder at lagre energi på, når det er nødvendigt. Brændstofceller, som omdanner kemisk energi til elektrisk energi, er en mulig løsning til langsigtet energilagring, og kunne en dag bruges til at drive lastbiler og biler uden at brænde brændstof. Men før brændselsceller kan bruges bredt, kemikere og ingeniører skal finde måder at gøre denne teknologi mere omkostningseffektiv og stabil.

En ny undersøgelse fra laboratoriet i Penn Integrates Knowledge Professor Christopher Murray, ledet af kandidatstuderende Jennifer Lee, viser, hvordan specialdesignede nanomaterialer kan bruges til at løse disse udfordringer. I ACS anvendte materialer og grænseflader , forskere viser, hvordan en brændselscelle kan bygges af billigere, mere almindeligt tilgængelige metaller ved hjælp af et design på atomniveau, der også giver materialet langtidsstabilitet. Tidligere post-doc Davit Jishkariani og tidligere studerende Yingrui Zhao og Stan Najmr, nuværende studerende Daniel Rosen, og professorerne James Kikkawa og Eric Stach, også bidraget til dette arbejde.

Den kemiske reaktion, der driver en brændselscelle, er afhængig af to elektroder, en negativ anode og en positiv katode, adskilt af en elektrolyt, et stof, der tillader ionerne at bevæge sig. Når brændstof kommer ind i anoden, en katalysator adskiller molekyler i protoner og elektroner, hvor sidstnævnte rejser mod katoden og skaber en elektrisk strøm.

Katalysatorer er typisk lavet af ædle metaller, som platin, men fordi de kemiske reaktioner kun sker på overfladen af ​​materialet, alle atomer, der ikke findes på overfladen af ​​materialet, går til spilde. Det er også vigtigt for katalysatorer at være stabile i måneder og år, fordi brændselsceller er meget svære at udskifte.

Kemikere kan løse disse to problemer ved at designe tilpassede nanomaterialer, der har platin på overfladen, mens de bruger mere almindelige metaller, såsom kobolt, i bulk for at give stabilitet. Murray-gruppen udmærker sig ved at skabe velkontrollerede nanomaterialer, kendt som nanokrystaller, hvor de kan kontrollere størrelsen, form, og sammensætning af ethvert sammensat nanomateriale.

I dette studie, Lee fokuserede på katalysatoren i katoden af ​​en bestemt type brændselscelle kendt som en protonudvekslingsmembran brændselscelle. "Katoden er mere et problem, fordi materialerne er enten platin- eller platinbaserede, som er dyre og har langsommere reaktionshastigheder, "siger hun." Design af katalysatoren til katoden er hovedfokus for at designe en god brændselscelle. "

Udfordringen, forklarer Jishkariani, var ved at skabe en katode, hvor platin og koboltatomer ville danne en stabil struktur. "Vi kender kobolt- og platinblandinger godt; men hvis du laver legeringer af disse to, du har tilføjet atomer af platin og kobolt i en tilfældig rækkefølge, " siger han. Tilsætning af mere kobolt i en tilfældig rækkefølge får det til at udvaske i elektroden, betyder, at brændselscellen kun vil fungere i kort tid.

For at løse dette problem, forskere designede en katalysator lavet af lagdelt platin og kobolt kendt som en intermetallisk fase. Ved at kontrollere præcist, hvor hvert atom sad i katalysatoren og låse strukturen på plads, katodekatalysatoren var i stand til at arbejde i længere perioder, end når atomerne var arrangeret tilfældigt. Som et ekstra uventet fund, forskerne fandt ud af, at tilføjelse af mere kobolt til systemet førte til større effektivitet, med et 1-til-1 forhold mellem platin og kobolt, bedre end mange andre strukturer med en bred vifte af platin-til-koboltforhold.

Det næste trin vil være at teste og evaluere det intermetalliske materiale i brændselscellesamlinger for at foretage direkte sammenligninger med kommercielt tilgængelige systemer. Murray-gruppen vil også arbejde på nye måder at skabe den intermetalliske struktur uden høje temperaturer og se, om tilføjelse af yderligere atomer forbedrer katalysatorens ydeevne.

Dette arbejde krævede mikroskopisk billeddannelse i høj opløsning, arbejde, som Lee tidligere lavede på Brookhaven National Lab, men takket være de seneste opkøb, kan nu gøres hos Penn i Singh Center for Nanotechnology. "Mange af de avancerede eksperimenter, som vi ville have været nødt til at rejse til rundt om i landet, nogle gange rundt om i verden, vi kan nu gøre meget tættere på hjemmet, " siger Murray. "De fremskridt, vi har bragt inden for elektronmikroskopi og røntgenspredning, er en fantastisk tilføjelse for folk, der arbejder med energiomdannelse og katalytiske undersøgelser."

Lee oplevede også på egen hånd, hvordan kemiforskning direkte forbinder den virkelige verdens udfordringer. Hun præsenterede for nylig dette arbejde på konferencen International Precious Metals Institute og siger, at mødet med medlemmer af ædelmetalsamfundet var oplysende. "Der er virksomheder, der ser på brændselscelleteknologi og taler om det nyeste design af brændselscellebiler, " siger hun. "Du kommer til at interagere med mennesker, der tænker på dit projekt fra forskellige perspektiver."

Murray ser denne grundlæggende forskning som et udgangspunkt for kommerciel implementering og anvendelse i den virkelige verden, understreger, at fremtidige fremskridt afhænger af den fremadrettede forskning, der sker nu. "Når vi tænker på en verden, hvor vi har fortrængt mange af de traditionelle fossile brændstoffer-baserede input, hvis vi kan finde ud af denne indbyrdes omdannelse af elektrisk og kemisk energi, som vil løse et par meget vigtige problemer på samme tid."