Schoon aandrijven, efficiënte auto's is slechts één manier waarop brandstofceltechnologie de mensheid kan versnellen naar een toekomst met duurzame energie, maar helaas, de technologie is een beetje traag geweest. Nutsvoorzieningen, ingenieurs kunnen brandstofcellen in wezen turboladen met een nieuwe katalysator.

De traagheid komt van een chemisch knelpunt, de snelheid waarmee zuurstof wordt verwerkt, een belangrijk ingrediënt dat brandstofcellen helpt, die te maken hebben met batterijen, elektriciteit produceren. De nieuwe katalysator een nanotechnologisch materiaal ontwikkeld door ingenieurs van het Georgia Institute of Technology, versnelt de zuurstofverwerking aanzienlijk en is het onderwerp van een nieuwe studie.

Mede om tegemoet te komen aan de beperkingen van zuurstof, brandstofcellen vereisen meestal pure waterstofbrandstof, die reageert met de zuurstof die uit de lucht wordt opgenomen, maar de kosten van het produceren van de waterstof waren onbetaalbaar. De nieuwe katalysator is een potentiële game-changer.

"Het kan chemische brandstof gemakkelijk omzetten in elektriciteit met een hoog rendement, " zei Meilin Liu, die de studie leidde en een Regents' Professor is aan de Georgia Tech's School of Material Science and Engineering. "Je kunt gemakkelijk beschikbare brandstoffen zoals methaan of aardgas gebruiken of gewoon waterstof veel efficiënter gebruiken, ' zei Liu.

Katalysator 8 keer zo snel

De katalysator bereikt de efficiëntie door zuurstof door het systeem van een brandstofcel te pompen. "Het is meer dan acht keer zo snel als geavanceerde materialen die nu hetzelfde doen, " zei Yu Chen, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Liu en de eerste auteur van de studie.

Er zijn een paar soorten brandstofcellen, maar de onderzoekers werkten aan het verbeteren van vaste oxide brandstofcellen, die worden aangetroffen in enkele prototypen van brandstofcelauto's. De onderzoeksinzichten kunnen ook helpen bij het aanscherpen van supercondensatoren en technologie in combinatie met zonnepanelen, dus het bevorderen van duurzame energie die verder gaat dan het onmiddellijke potentieel van de nieuwe katalysator om brandstofcellen te verbeteren.

Liu en Chen publiceerden hun studie in het maartnummer van het tijdschrift Joule . Hun onderzoek werd gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie en door het Guangdong Innovative and Entrepreneurial Research Program. Het brandstofcelwerk van Liu's lab heeft al veel belangstelling gewekt bij de energie-industrie en de auto-industrie.

Natuurlijk trage zuurstof

Hoewel ze anders werken dan brandstofcellen en veel minder efficiënt en schoon zijn, verbrandingsmotoren vormen een nuttige metafoor om te helpen begrijpen hoe brandstofcellen en de nieuwe katalysator werken.

Bij een verbrandingsmotor brandstof uit een tank en zuurstof uit de lucht komen samen om te reageren in een explosie, energie produceren die een krukas laat draaien. Het toevoegen van een turbocompressor versnelt het proces door brandstof en zuurstof sneller met elkaar te mengen en ze snel te verbranden.

Momenteel, in brandstofcellen, waterstofbrandstof uit een tank en zuurstof uit de lucht sturen ook een proces aan dat energie produceert, in dit geval, elektriciteit. De twee ingrediënten komen samen in een reactie, maar een heel anders dan verbranding, en veel schoner.

Het ene uiteinde van de brandstofcel, de anode, verwijdert elektronen uit de waterstofatomen in wat oxidatie wordt genoemd en stuurt de elektronen door een extern circuit als elektrische stroom naar de kathode aan de andere kant. Daar, zuurstof, die notoir elektronenhongerig is, zuigt de elektronen op in wat reductie wordt genoemd, en dat zorgt ervoor dat de elektriciteit blijft stromen.

de waterstof, nu positief geladen, en de zuurstof, nu negatief geladen, ontmoeten elkaar om water te vormen, dat is de uitlaat van de brandstofcel.

In die reactieketen zuurstof is op twee manieren de langzame schakel:de reductie van zuurstof duurt langer dan de oxidatie van waterstof, en de gereduceerde zuurstof beweegt langzamer door het systeem om waterstof te ontmoeten. Analoog aan de turbocompressor, de nieuwe katalysator duwt de zuurstof naar voren.

Nano zuurstof rush

De katalysator wordt aangebracht als een pure coating van slechts ongeveer twee dozijn nanometer dik en bestaat uit twee met elkaar verbonden nanotechnologie-oplossingen die beide zuurstofknelpunten doorbreken.

Eerst, nanodeeltjes die zeer aantrekkelijk zijn voor zuurstof grijpen het O2-molecuul en laten instromende elektronen er snel op springen, gemakkelijk verminderen en scheuren in twee afzonderlijke zuurstofionen (elk een O2-). Vervolgens zuigen een reeks chemische gaten, zuurstofvacatures genaamd, die in de structuren van de nanodeeltjes zijn ingebouwd, de zuurstofionen op als kettingen van stofzuigers die de ionen hand in hand doorgeven aan de tweede fase van de katalysator.

De tweede fase is een coating die vol zit met zuurstofvacatures die de O2- nog sneller naar zijn eindbestemming kunnen passeren.

"De zuurstof gaat snel naar beneden door de kanalen en komt de brandstofcel binnen, waar het de geïoniseerde waterstof of een andere elektronendonor zoals methaan of aardgas ontmoet."

De ionen ontmoeten elkaar om water te maken, die de brandstofcel verlaat. In het geval van methaanbrandstof, er wordt ook pure CO2 uitgestoten, die kunnen worden opgevangen en weer tot brandstof kunnen worden gerecycled.

Interessante zeldzame metalen

In de eerste fase, er zijn twee verschillende smaken nanodeeltjes aan het werk. Beide hebben kobalt, maar de ene bevat barium en de andere praseodymium, een zeldzaam aardmetaal dat in grote hoeveelheden prijzig kan zijn.

"Praseodymium is in zulke zeer kleine hoeveelheden dat het geen invloed heeft op de kosten, "Zei Liu. "En de katalysator bespaart veel geld op brandstof en op andere dingen."

Hoge bedrijfstemperaturen in bestaande brandstofcellen vereisen dure beschermende omhulsels en koelmaterialen. De onderzoekers geloven dat de katalysator kan helpen de temperaturen te verlagen door de elektrische weerstand te verminderen die inherent is aan de huidige brandstofcelchemie. Dat zou, beurtelings, de totale materiaalkosten verlagen.

Beschermende kathodecoating

De tweede fase van de katalysator is een rooster dat praseodymium en barium bevat, evenals calcium en kobalt (PBCC). Naast zijn katalytische functie, de PBCC-coating beschermt de kathode tegen degradatie die de levensduur van brandstofcellen en soortgelijke apparaten kan beperken.

Het onderliggende originele kathodemateriaal, die de metalen lanthaan bevat, strontium, kobalt, en ijzer (LSCF), is een industriestandaard geworden, maar wordt geleverd met een waarschuwing.

"Het is zeer geleidend, heel goed, maar het probleem is dat strontium een ​​afname ondergaat die segregatie in het materiaal wordt genoemd, " zei Liu. "Een onderdeel van onze katalysator, PBCC, fungeert als coating en houdt de LSCF een stuk stabieler."

LSCF-productie is al goed ingeburgerd, en het toevoegen van de katalysatorcoating aan de productie zou waarschijnlijk redelijkerwijs kunnen worden bereikt. Liu overweegt ook om de LSCF-kathode volledig te vervangen door het nieuwe katalysatormateriaal, en zijn lab ontwikkelt een nieuwe katalysator om de oxidatiereacties van brandstof aan de anode van de brandstofcel te stimuleren.