Het vervangen van uw dagelijkse benzineslurper door een auto op waterstof kan uw ecologische voetafdruk drastisch verminderen. Dus waarom maken we niet allemaal de overstap?

Een van de redenen waarom we dat niet doen, is de dure platinakatalysator die nodig is om waterstofbrandstofcellen efficiënt te laten werken.

Onderzoek geleid door Sandia National Laboratories en de Universiteit van Californië, Merced, gericht op het verlagen van de kosten van waterstofbrandstofcellen, gebruikte een spotgoedkope verbinding om een ​​oneffen oppervlak te creëren dat lijkt op de bladeren van een plant. Het extra gebied helpt waterstof bijna net zo efficiënt te katalyseren als platina.

Hoofdonderzoekers Stanley Chou, een Sandia materiaalwetenschapper, en Vincent Tung van UC Merced hebben een gezamenlijk patent aangevraagd voor het sproeidrukproces, die goedkope molybdeendisulfide gebruikt. Het grotere oppervlak van het golvende "blad" creëert drie keer zoveel katalytische contactpunten als andere molybdeendisulfidestructuren, en de nieuwe creatie kan hogere temperaturen aan dan platina zonder de cel te sinteren en te laten gommen.

Het werk maakt deel uit van een poging om auto's op waterstof goedkoper aan te drijven, wenselijk omdat ze water uitstoten in plaats van koolmonoxide of kooldioxide.

De natuur als bondgenoot

De productiemethode gebruikt de natuur als bondgenoot in plaats van een belemmering, zei Cho. "In het traditionele denken, krachten zoals zwaartekracht, viscositeit en oppervlaktespanning moeten worden overwonnen om de vervaardigde vormen te bereiken die u wenst. Wij dachten, in plaats van deze krachten als beperkingen te beschouwen, waarom zou je ze niet gebruiken om iets nuttigs te doen? Dus, we deden."

Tung zei dat de methode natuurlijke processen gebruikt om materialen te produceren voor extreem goedkope brandstofcelterminals om waterstof vrij te maken. "Het drukproces maakt ook voortdurende afzetting mogelijk, met het vermogen om op te schalen voor de industrie, " hij zei.

Het team mengde molybdeendisulfide met water en gebruikte het drukproces om druppeltjes ter grootte van een micron in een afgesloten ruimte van ongeveer 60 cm hoog te verdrijven. Toen ze vielen, de druppeltjes eerst gescheiden in nanoscopische subeenheden. Deze droogden verder terwijl ze vielen, hun krimpende volume produceert een ongelijk 3D-oppervlak dat lijkt op de bladeren van planten, met kleine ribbels, heuvels, grachten, grotten en tunnels. Landing op een substraat en op elkaar, de "bladeren" waren nog steeds vochtig genoeg om te hechten alsof ze op kritieke punten waren bevestigd door kleine druppeltjes lijm. Dus, de nanostructuren verloren hun individualiteit niet, maar in plaats daarvan, door hun identiteit te behouden, creëerde kleine tunnels binnenin en tussen hen die buitengewone toegang voor waterstofatomen mogelijk maakten om hun vrijheid van chemische bindingen te zoeken.

De inspiratie voor het maken van een bio-geïnspireerde 3D-vorm kwam voort uit het bestuderen van het vouwproces van de nagelriemen, een mechanisme dat door planten wordt gebruikt voor het regelen van diffusie en permeabiliteit op bladoppervlakken, zei Cho.

"We zien onze katalysator als een anorganisch materiaal dat werkt als een plant. De nanostructuren, zoals bladeren, zijn gevarieerd van vorm, met kleine stijgingen en dalingen, " zei hij. "De structuren nemen een extern materiaal op om waterstof te produceren in plaats van zuurstof, en op een dag kan worden aangedreven door zonlicht." Op dit moment, zeer laagspannings-elektriciteit doet het werk.

Twijfels over de sterkte van de structuur die op zo'n toevallige manier is gevormd, Tung vertelde, werden geregeld toen een student van 170 pond onbewust een van de eerste molybdeendisulfide-katalysatorcreaties betrad toen het per ongeluk op de grond viel. Een paar honderd nanometer dik, het rustte op een koolstofsubstraat van een vierkante centimeter, maar was verder onbeschermd. Elektromicroscopisch onderzoek toonde aan dat de kleine structuur onbeschadigd was. De "bladeren" zijn ook lang houdbaar gebleken, zes maanden waterstof blijven produceren.

Het werk is het onderwerp van een technisch artikel dat online in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen .