Ekstrakt fra et almindeligt køkkenkrydderi kan være nøglen til grønnere og mere effektive brændselsceller

Gurkemeje, et krydderi, der findes i de fleste køkkener, har et ekstrakt, der kan føre til sikrere og mere effektive brændselsceller.

Forskere ved Clemson Nanomaterials Institute (CNI) og deres samarbejdspartnere fra Sri Sathya Sai Institute of Higher Learning (SSSIHL) i Indien opdagede en ny måde at kombinere curcumin - stoffet i gurkemeje - og guld-nanopartikler for at skabe en elektrode, der kræver 100 gange mindre energi til effektivt at omdanne ethanol til elektricitet.

Mens forskerholdet skal udføre flere tests, bringer opdagelsen erstatningen af ​​brint som brændselscelle-råvare et skridt nærmere.

"Af alle katalysatorer for alkoholoxidation i alkalisk medium er den, vi har forberedt, den bedste hidtil," sagde Apparao Rao, CNI's stiftende direktør og R. A. Bowen professor i fysik ved College of Science's.

Brændselsceller genererer elektricitet gennem en kemisk reaktion i stedet for forbrænding. De bruges til at drive køretøjer, bygninger, bærbare elektroniske enheder og backup-strømsystemer.

Brintbrændselsceller er meget effektive og producerer ikke drivhusgasser. Mens brint er det mest almindelige kemiske grundstof i universet, skal det stamme fra stoffer som naturgas og fossile brændstoffer, fordi det kun forekommer naturligt på Jorden i sammensat form med andre grundstoffer i væsker, gasser eller faste stoffer. Den nødvendige udvinding øger brintbrændselscellers omkostninger og miljøpåvirkning.

Derudover er brint, der bruges i brændselsceller, en komprimeret gas, hvilket skaber udfordringer for opbevaring og transport. Ethanol, en alkohol fremstillet af majs eller andet landbrugsbaseret foder, er sikrere og lettere at transportere end brint, fordi det er en væske.

"For at gøre det til et kommercielt produkt, hvor vi kan fylde vores tanke med ethanol, skal elektroderne være yderst effektive," sagde Lakshman Ventrapragada, en tidligere elev af Rao's, som arbejdede som forskningsassistent ved CNI og er alumnus fra SSSIHL. "Samtidig vil vi ikke have meget dyre elektroder eller syntetiske polymere substrater, der ikke er miljøvenlige, fordi det besejrer hele formålet. Vi ville se på noget grønt til brændselscelleproduktionsprocessen og fremstilling af selve brændselscellen ."

Forskerne fokuserede på brændselscellens anode, hvor ethanolen eller anden fødekilde oxideres.

Brændselsceller bruger i vid udstrækning platin som katalysator. Men platin lider af forgiftning på grund af reaktionsmellemprodukter såsom kulilte, sagde Ventrapragada. Det er også dyrt.

Forskerne brugte guld som katalysator. I stedet for at bruge ledende polymerer, metal-organiske rammer eller andre komplekse materialer til at afsætte guldet på overfladen af ​​elektroden, brugte forskerne curcumin på grund af dets strukturelle unikke. Curcumin bruges til at dekorere guld-nanopartiklerne for at stabilisere dem og danner et porøst netværk omkring nanopartiklerne. Forskere deponerede curcumin guld nanopartikler på overfladen af ​​elektroden ved en 100 gange lavere elektrisk strøm end i tidligere undersøgelser.

Uden curcuminbelægningen agglomererer guldnanopartiklerne og skærer ned på overfladearealet, der er udsat for den kemiske reaktion, sagde Ventrapragada.

"Uden denne curcuminbelægning er ydeevnen dårlig," sagde Rao. "Vi har brug for denne belægning for at stabilisere og skabe et porøst miljø omkring nanopartiklerne, og så gør de et super stykke arbejde med alkoholoxidation.

"Der er et stort fremstød i industrien for alkoholoxidation. Denne opdagelse er en fremragende muliggører for det. Næste trin er at skalere processen op og arbejde sammen med en industriel samarbejdspartner, som faktisk kan lave brændselscellerne og bygge stakke af brændselsceller til den rigtige ansøgning," fortsatte han.

Men forskningen kunne have bredere implikationer end forbedrede brændselsceller. Elektrodens unikke egenskaber kunne egne sig til fremtidige anvendelser i sensorer, superkondensatorer og mere, sagde Ventrapragada.

I samarbejde med SSSIHL-forskerholdet tester Raos team elektroden som en sensor, der kan hjælpe med at identificere ændringer i niveauet af dopamin. Dopamin har været impliceret i lidelser såsom Parkinsons sygdom og opmærksomhedsunderskud hyperaktivitetsforstyrrelse. Da medlemmer af forskerholdet testede urinprøver fra raske frivillige, kunne de måle dopamin til det godkendte kliniske område med denne elektrode ved hjælp af en omkostningseffektiv metode sammenlignet med standardmetoder, der bruges i dag, sagde Rao.

"I begyndelsen af ​​projektet forestillede vi os ikke andre applikationer, som guldbelagt curcumin kunne understøtte. Men inden afslutningen af ​​alkoholoxidationseksperimenterne var vi ret sikre på, at andre applikationer er mulige," sagde Ventrapragada. "Selvom vi ikke har en fuldstændig forståelse af, hvad der sker på atomniveau, ved vi med sikkerhed, at curcumin stabiliserer guldnanopartiklerne på en måde, så det kan egne sig til andre anvendelser."

Tidsskriftet Nano Energy offentliggjort resultaterne i et papir med titlen "Grøn syntese af en ny porøs guld-curcumin nanokomposit til supereffektiv alkoholoxidation." + Udforsk yderligere

Kulstofbelagt nikkel muliggør en brintbrændselscelle fri for ædle metaller