"Eet je spinazie, " is een veel voorkomend refrein uit de kindertijd van veel mensen. Spinazie, de hartelijke, groene groente boordevol voedingsstoffen, levert niet alleen energie bij mensen. Het heeft ook de potentie om brandstofcellen aan te drijven, volgens een nieuw artikel van onderzoekers van de afdeling Chemie van de AU. Spinazie, wanneer omgezet van zijn lommerrijke, eetbare vorm in koolstof nanosheets, fungeert als katalysator voor een zuurstofreductiereactie in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen.

Een zuurstofreductiereactie is een van de twee reacties in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen en is meestal de langzamere reactie die de energie-output van deze apparaten beperkt. Onderzoekers weten al lang dat bepaalde koolstofmaterialen de reactie kunnen katalyseren. Maar die op koolstof gebaseerde katalysatoren presteren niet altijd even goed of beter dan de traditionele op platina gebaseerde katalysatoren. De AU-onderzoekers wilden een goedkope en minder giftige bereidingsmethode vinden voor een efficiënte katalysator door gebruik te maken van gemakkelijk beschikbare natuurlijke hulpbronnen. Ze gingen deze uitdaging aan door spinazie te gebruiken.

"Dit werk suggereert dat duurzame katalysatoren kunnen worden gemaakt voor een zuurstofreductiereactie uit natuurlijke hulpbronnen, " zei prof. Shouzhong Zou, hoogleraar scheikunde aan de AU en de hoofdauteur van het artikel. "De methode die we hebben getest, kan zeer actieve, op koolstof gebaseerde katalysatoren uit spinazie, dat is een hernieuwbare biomassa. In feite, we geloven dat het beter presteert dan commerciële platinakatalysatoren, zowel wat betreft activiteit als stabiliteit. De katalysatoren zijn mogelijk toepasbaar in waterstofbrandstofcellen en metaal-luchtbatterijen." Zou's voormalige postdoctorale studenten Xiaojun Liu en Wenyue Li en niet-gegradueerde student Casey Culhane zijn de co-auteurs van het artikel.

Katalysatoren versnellen een zuurstofreductiereactie om voldoende stroom te produceren en energie te creëren. Tot de praktische toepassingen voor het onderzoek behoren brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, die elektrische voertuigen en soorten militaire uitrusting aandrijven. Onderzoekers boeken vooruitgang in het lab en in prototypes met katalysatoren afgeleid van planten of plantaardige producten zoals lisdodde gras of rijst. Zou's werk is de eerste demonstratie waarin spinazie wordt gebruikt als materiaal voor het bereiden van katalysatoren voor zuurstofreductiereacties. Spinazie is een goede kandidaat voor dit werk omdat het overleeft bij lage temperaturen, is overvloedig en gemakkelijk te kweken, en is rijk aan ijzer en stikstof die essentieel zijn voor dit type katalysator.

Zou en zijn studenten hebben de katalysatoren gemaakt en getest, die van spinazie afkomstige koolstof nanosheets zijn. Koolstof nanosheets zijn als een stuk papier met de dikte op nanometerschaal, duizend keer dunner dan een stuk mensenhaar. Om de nanosheets te maken, de onderzoekers lieten de spinazie een meerstappenproces doorlopen dat zowel low- als hightech-methoden omvatte, inclusief wassen, het uitpersen en vriesdrogen van de spinazie, het handmatig vermalen tot een fijn poeder met een vijzel en een stamper, en "doping" van de resulterende koolstof nanosheet met extra stikstof om de prestaties te verbeteren. De metingen toonden aan dat de van spinazie afgeleide katalysatoren beter presteerden dan op platina gebaseerde katalysatoren die duur kunnen zijn en hun potentie in de loop van de tijd verliezen.

De volgende stap voor de onderzoekers is om de katalysatoren uit de laboratoriumsimulatie in prototype-apparaten te plaatsen, zoals waterstofbrandstofcellen, om te zien hoe ze presteren en om katalysatoren van andere planten te ontwikkelen. Zou willen ook de duurzaamheid verbeteren door het energieverbruik voor het proces te verminderen.